化學是一種探索和認識自然的手段。正像其它人類活動一樣，它有界限和局限。首先，有太多現象和存在無法用現代化學來研究。比如生物體。一個單細胞生物已經是一個龐大複雜的體系。如果去研究該細胞中的一個化學反應、一種物質，現代化學大有用武之地。但是如何從整體上認識這個生命、理解其如何運作，現代化學卻要悵然若失。
一方面，細胞不等於化合物的混合。細胞是由成千上萬種化學物質構成的，但是把這些化學物質按活體中的比例混合，并不能得到這個細胞，亦不能自動合成生命。另一方面，多細胞生物體不等於細胞的集合。瞭解人的一個細胞無法幫助我們全面瞭解這個人。另外一些問題無法用化學方法驗證，更無法重複。假設達爾文進化論是正確的，如果再給地球一個機會重新進化，生命是否會出現？會出現何種生命？這些問題都是現代化學無法回答的。
其次，現代化學仍需受到道德、倫理的限制。比如很多動物有獲得回報和獎勵的精神需要。沒有回報，則缺乏動力。比如研究發現獼猴大腦中控制回報的受體基因。如果剔除這個基因，獼猴會停止要求回報，會任勞任怨、忘我的工作。現在我們已經擁有改變這個基因的化學手段。那麽我們是不是應該剔除人和其它動物的對應基因，把他們變成積極、100%忠誠的士兵和勞工？再如我們是不是應該通過藥物給有先天疾病的人絕育？是不是因該用基因改造的手段製造完美的人？在科學主義者看來，[1] 這都是理所應當。這些人的邏輯正是造成人類20世紀極權主義悲劇的根源：機械理性和徹底的自負。不受道德倫理限制的化學就會產生出Zyklon B[2]、安樂死製劑這樣的產品。
最後，學無止境。每個新發現在被承認之前都會有爭論，這是學術界的慣例。研究者應當抱著開放的心態來看待新發現，并對未知心存敬畏。這才是真正的科學態度。本節中我們將討論幾個有關化學局限性的例子。
「水的記憶」
雅克·本韋尼斯特（Jacques Benveniste，1935-2004年）生前是法國著名免疫學家。他是血小板活化因子（PAF）的發現者，并在PAF的作用及其在炎症反應和治療方面做出了重大貢獻。[3] 他曾擔任法國國立衛生医学研究所（INSERM）過敏免疫和炎症的高級研究主管。從各個方面來説，本韋尼斯特都可説是一個值得信賴的科學家。曾有傳言他可能會獲得諾貝爾獎。
但是本韋尼斯特1988年的一篇研究論文卻引發了軒然大波。嗜碱性粒细胞是血液中的一種白細胞，是許多免疫反應、特別是過敏時引起發炎反應的細胞。其細胞膜表面有可與免疫球蛋白E（IgE）結合的受體。一旦二者結合，即可引起過敏反應。但實際上，IgE必須達到一定濃度，否則不足引發過敏反應。臨床上用在抗IgE抗體來減少過敏反應，治療比如哮喘一類的疾病。本韋尼斯特的實驗中，抗IgE抗體被稀释到2×10-126 M，仍然能夠有抑制IgE的效果。[4] 按照溶液化學理論，在稀释到這個程度之後，抗IgE抗體已經不存在了，其「溶液」應當和純水無異。本韋尼斯特的結果意味著，當一種溶質溶解在水裏，其存在給水造成了某種永久性的變化。雖然我們人無法感知這種變化，雖然目前的溶液化學理論無法解釋這種變化，但現有手段已經能夠證明該變化在無限稀释之後也不會消失。這個效應被稱作「水的記憶」。
沒成想論文的發表引發了一場軒然大波。本韋尼斯特立即成爲「爭議」人物，受到懷疑和嘲諷。INSERM將他留任查看，并對他的實驗室進行了調查，但未能發現任何造假。即使如此，他被勒令停止相關研究。[5] 但幾年之後本韋尼斯特的結果得到了至少一個實驗室的獨立證實。[6]
本韋尼斯特被迫淡出，但是「水的記憶」研究并沒有終結。2003年，瑞士人雷（Louis Rey）從另外一個角度證明水可能存在記憶。[7] 電磁輻射無處不在，比如説日光。其中能量較高的電離輻射可能會造成非導體固態晶體中一些晶格缺陷，其能量高於正常晶格。當這些晶體受熱的時候，那些能量便會以光子的形式釋放出來。這種現象被稱作熱釋光。
雷使用重水配製了氯化鋰和氯化鈉（食鹽）溶液並稀釋至10-30克/立方厘米。[8] 這個濃度是什麽概念？如果把一克食鹽溶解在地球上所有的地表水（其中的溶質除外）中，獲得的食鹽溶液濃度比雷的食鹽溶液還要高70多萬倍。也就是説，他的所謂「溶液」已經沒有溶質，就是純的重水。雷用X射綫和γ射綫照射低溫下的溶液冰晶，然後對其升溫並檢測釋放出來的光子。結果令人瞠目：在10-30克/立方厘米的濃度，氯化鋰「溶液」、氯化鈉「溶液」和重水的熱釋光譜完全不同。雷吸取了前人的教訓，邀請了熱釋光專家參與其部分實驗。有專家表示，雷的結果具有很好的可重複性，是真實的新物理現象。[9]
本韋尼斯特和雷的研究意味著，溶解過其它物質的水，不管如何稀釋，都保留了原溶質的指紋。因爲我們完全可以說，海水和淡水是兩種不同的物質。即使把前者無限稀釋，它和淡水至少在熱釋光光譜上仍然有區別。那麽有機污染物又會對水造成怎樣的衝擊？這個現象背後有何種新物理/化學原理？這些謎團尚待解開。我們所能做的是用開放心態對待這些新現象，讓時間來檢驗這些結果，而不是操起大棒去打擊用於探索的人。
化學進化
達爾文進化論的現代合成版（亦稱新達爾文主義）是當今生物學的指導性思想。其核心有二。其一曰盲目、隨機、漸進的基因突變是所有生物演進的分子基礎。其二曰自然選擇是確定基因突變對個體生物有利或者有害的唯一判官。有利則存，有害則滅。根據這兩點馬上可以得到一些推論。比如生物在地球上的出現完全是自然、偶然的結果。在自然選擇的指揮下，一個基因突變如果能幫助一個生物的身存和繁衍，則會遺傳下去；如果不能則會消滅。基因突變在一個生物體中積纍多了，必然會引發質的改變，使其進化成另外一種生物。我們還可以根據這個理論推出，地球上所有的生物擁有一個共同祖先。
但是進化論所關心的是生物的演進。進一步說，新達爾文主義只適用於擁有基因的生物。那麽第一個擁有基因的細胞是如何出現的？達爾文進化論沒有也不能回答這個問題。從天然產物、自然存在的礦物等無生命物質到出現第一個原始細胞的過程，被稱爲前生物進化或者化學進化。這個過程對達爾文進化論的重要性是不言而喻的：沒有化學進化，則達爾文主義為空中樓閣。如果化學進化無法證明，則進化論就是空談。如果化學進化被證僞，則達爾文主義亦不可獨存。
1952年，芝加哥大學研究生米勒（Stanley Miller）進行了米勒-尤里實驗。在一套玻璃器皿中，米勒充入氣體和水，以「模仿」地球的原始大氣和海洋；[10]用加熱使水回流模仿地熱和火山活動；用電火花來模仿閃電。七天之後，米勒在反應中發現了多種氨基酸。[11] 達爾文主義者群情振奮，以爲化學進化終於被實驗證明了。
後來發現，問題絕非這麽簡單。首先，米勒對原始海洋和大氣的構想純屬臆測。誰也不知道其組成是什麽樣的。不同的起始原料，肯定會得到迥然不同的產物。哪種產物的組合才是地球化學進化的「真正」起點？所有人都在猜測。其次，反應中生成的大部分物質是不溶的高聚物，只有少部分可以溶解分析。這其實反映了沒有人干預的自發化學反應更可能是產生生命的阻力而不是動力。米勒在論文中報告了這一點，但是卻被學界所忽視。最後，米勒實驗中所產生的氨基酸全部都是外消旋的，即等量的D型和L型。而只有L型氨基酸才是構成蛋質白的基礎構件。拆分外消旋氨基酸或者專一性合成其中一種在現代化學實驗室都需要特殊設備和專業訓練，何況在原始地球？爲什麽L型氨基酸受到青睞？這在當下都是無解的難題。某種意義上米勒實驗并不是達爾文主義的福音，而是打開了潘多拉的魔盒。
幾十年過去了，化學進化的研究現狀如何？2020年6月10日，美國化學會《化學評論》（Chemical Reviews）發表了一期專刊，專門評述化學進化。[12] 該刊是世界化學界的王牌之一，代表了化學學科的最高水準和最新進展。即使是最著名的化學家，終其一生，在《化學評論》上發表的綜述也鮮有超過十篇者。縱覽該專刊，讀者可以看到，化學進化基本上還停留在米勒的時代。我們對生命如何產生并沒有新的化學理解，過去70載增加的只是各種各樣的猜測；在實驗驗證方面，我們并不比米勒更接近無人工干預、在自然界條件下[13]合成手性分子和生物大分子，更不要説原始細胞；在生命如何獲得遺傳信息上，我們更是茫然不知所措。
問題之一是這些研究走上了米勒的老路，到今天都還陷在模仿範式中無法自拔。這個範式的最大特點就是，不管反應條件和自然界條件天差地別，只要產物中能模仿出與進化相關的過程或產物，就算勝利。最著名的例子當屬日本化學家硤（音同峽）合憲三發現的硤合反應。作爲化學反應，此發現可謂神來之筆。該反應使用一個吡啶醛和二異丙基鋅反應。沒有外界影響時，反應生成外消旋體。稍有一點外來影響，此反應便能以大比例收穫D型和L型其中一種。化學進化論者說，這個反應解決了米勒未能解決的一個問題，即L型氨基酸如何自發產生。此説大謬不然。吡啶醛或可以存在自然界，但二異丙基鋅怕水怕氧，見到氧和水可能燃燒爆炸。[14] 試問這樣的試劑和反應怎麽會和史前地球、化學進化有半點瓜葛？從硤合反應，進化論者或許能受到一些鼓勵和啓發，但是宣稱這解決了手性產生的重要問題實在是牽强至極。迄今硤合反應在有機金屬化學裏面仍然是絕無僅有，在水相化學中更是無匹。
另一個問題是，這些研究充斥了人工設計和人工干預。前面提到現代化學乃「化合之學」、「純化之學」。在合成化學中，反應路綫設計是個大學問、大藝術，很大程度上體現了一個化學學者的創造性。若想得到理想的結果，反應物和每一步產物的提純至關重要。通過混合反應物、一鍋煮的方法高產率得到複雜分子可能性微乎其微。然而這正是化學進化論者想讓我們相信的：在原始地球的某個角落，糖、氨基酸等原料達到了足夠的濃度，自發合成了第一條RNA或者DNA、或者蛋白質。前面提到米勒的模擬實驗恰恰發反駁了這種可能性：糖、氨基酸自發反應的結果更可能是不溶的廢棄物，而不是有用的產物。沒有外界干預，氨基酸在水中很難自發縮合成爲多肽；糖和嘌呤、嘧啶不會自發生成鹼基。相信生物大分子在億萬年的時間裏自發生成，類似於相信一架空中客車A320客機自然形成。
最後，這些研究都未能解決一個問題，即遺傳信息從何處來、是誰制定了遺傳法則。在這個問題上，甚至連模擬研究都沒有。目前自然界生物中最小的基因組含有182個基因。[15] 現在發現的最小基因編碼7個氨基酸殘基。[16] 這些數字是已知現存生物的極限。現在我們來做一個反證法證明。假設第一個原始生命只需要182個基因，每個基因編碼7個氨基酸殘基，就能生存和繁衍。這些編碼是從哪裏來？進化論者說：從自然選擇而來。根據達爾文主義，從零進化到一必然有無數中間體，但因爲它們無法適應環境，都被淘汰了。如果其中有一個能生存下來，便成了「第一個原始生物」，違反了達爾文主義關於無用突變和有害突變只能被淘汰的假設。既然所有的中間體都滅絕了，未能留下其遺傳物質，又如何能實現零到182個基因的漸進式進化？進化論者在邏輯上尚未能自洽。
綜上所述，化學進化界一片看上去欣欣向榮，每每有「重大發現」的消息傳來。外行看熱鬧，嘆服進化論之宏大完備，無所不包。只有内行人才明白，這些研究已經原地踏步多年了。在可預見的將來，按這個模仿範式走下去，除了消耗納稅人的血汗錢，化學進化界不會比米勒更靠近真相。他們只是在製造和慶祝他們自己的「真相」。
最後需要指出，化學進化這個學科是第一個被馬克思主義捕捉並主導的自然科學領域。化學進化的概念首先由達爾文提出。1871年，達爾文在給友人的信中暢想說，生命起源於一個「溫暖的小池塘，有氨和磷酸鹽，外部有充足的光、熱、電，化學反應產生了一種蛋白質化合物，並準備進行更複雜的變化。」這個假説的現代版稱作奧巴林–霍爾丹假說。奧巴林（Alexander Ivanovich Oparin，1894～1980）是蘇聯生化學家。他曾獲得「蘇維埃社會主義勞動英雄」一次、列寧獎章一次、萊蒙諾索夫獎章一次以及五次獲得列寧勛章，可謂榮譽等身。在蘇聯大清洗末期，奧巴林獲選為蘇維埃科學院通訊院士，並榮升該院生物化學研究所所長。沒有蘇共黨和斯大林的寵任，別説榮譽和官職，他能不能躲得過大清洗都很難説。此人還是一個投機分子，曾長期追隨在斯大林時期蘇聯科學界一度權傾朝野的僞科學騙子李森科。斯大林政權曾動用專制機器鎮壓反對李森科、敢於駁斥其僞科學的人。據調查，有超過三千名蘇聯生化學家和農學家因反對李森科學説而被解雇、投入古拉格，甚至被直接處決。[17]
無獨有偶，霍爾丹（John B. S. Haldane，1892-1964）也是個馬克思主義者，1937年加入英國共產黨。馬克思主義者青睞化學進化的原因顯而易見：進化論是馬克思主義唯物辯證法的基石之一。爲了維護他們的信仰，達爾文必須正確。奧巴林和霍爾丹推動這個理論絕非偶然，意識形態的驅動因素可能起到了決定性因素。[18]因此，如果有人積極鼓吹化學進化，不妨追查一下其政治背景。
化學的前景
昔日量子力學面世時，可謂石破天驚。薛定諤方程看上去簡易至極，並在計算簡單體系上取得了巨大的成功。比如對於氫原子和氦離子，此方程竟然能夠取得精確解，并且能詳細解釋它們的光譜。這給當時的人們無限希望：化學一直是門實驗學科。物質的性質必須去測定，合成的路徑必須去探索，中間體必須去用陷阱捕捉，化合物必須用光譜去驗證。現在有了薛定諤方程。那麽和氫原子一樣，只要找到一個化合物、一個體系的波函數代入薛定諤方程，其定態波函數、能量本徵值、甚至波函數密度分佈形態，豈不都是信手拈來？這是否意味著人類掌握了一種從基本粒子和量子角度理解化學的手段？如此一來，設計新分子、新材料就像探囊取物。
理論上的確如此，然而現實卻無比複雜。一個最基本的問題是量子力學中的多體問題。這比三體問題嚴重多了，畢竟後者已經找到了很多非常精妙的特殊解。氫原子容易計算，是因爲它粒子數少，需要考慮的相互作用較簡單。到氦原子的時候，粒子數已經超過3（以氦-3原子爲例：它含有兩個質子、一個中子和兩個電子）。即使把原子核看作一個粒子（這已經是一種近似方法），兩個電子和原子核相互作用，同時彼此之間還有耦合作用。這時薛定諤方程已無法獲得精確解，只能使用數值計算來求得近似解。氦以上的更複雜原子，進行數值模擬需要的資源會大大增加。這是因為在量子力學中，描述系統所需的狀態必須包括粒子態的所有可能疊加。即使采取近似、忽略一些不必須或出現幾率很低的疊加態，也會導致所有疊加態數量呈爆炸性增長。因此對於稍複雜體系，必須做出進一步近似。
目前的計算化學方法采用的近似遠遠超過上述做法。比如原子質量中原子核占絕大部分，因此不妨將其看作靜電源。於是我們可以將注意力集中到電子上，這被稱爲波恩-奧本海默近似。比較流行計算波函數的方法有哈特里－福克方程式以及密度泛函理論。此二理論中采取了更多的近似方法，不然就無法在有限的時間内得到結果。
近似的結果就是犧牲準確性。現在計算化學被用來預測簡單化學反應的各種細節（能學、反應速率等）、化合物的光譜和物化性質以及反應中間體的某些特徵（能學、過渡態構象等），但是準確性一直未能如意，對稍複雜的體系更是如此。對於生物大分子和生化過程，量子化學計算尚無法運用，更不要提模擬一個細胞或者生物體的運作。想要從基本粒子物理和量子力學來描述化學物質和反應，現在仍然遙不可及。
在薛定諤方程誕生近100年之際，當年的幻想仍然是幻想。過去幾十年，計算機的算力增長了無數倍，但是就基礎理論而言，量子化學并沒有大突破。因此除非算力能夠以指數級增長，否則仍然無法為量子化學的諸多問題提供分析解。今後量子計算機是否能解決這些問題，目前還不明瞭。在可預見的將來，化學將仍然是一種經驗科學和實驗科學。
題圖為AI合成圖，名爲深遠時代（Tiefe Zeit）。（來源： wikicommons， 公有領域）
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[1] 科學主義的通俗定義：1）科學是理解自然的唯一方法，也應當是人類行爲的唯一理性標準；2）科學無遠弗界，適用於一切問題。現在解決不了的問題，未來科學必能解決。
[2] Zyklon B是納粹德國集中營實施大屠殺的主要化學毒劑。在科幻劇集The Man in the High Castle中，Zyklon系列毒劑已經升級到了Zyklon D。
[3] 1) Leukocyte-dependent histamine release from rabbit platelets. The role of IgE, basophils, and a platelet-activating factor, Benveniste J. et al. J. Experimen. Med. 1972, 136, 1356–77. DOI:10.1084/jem.136.6.1356; 2) Platelet-activating factor, a new mediator of anaphylaxis and immune complex deposition from rabbit and human basophils, Benveniste J., et al. Nature. 1974, 249, 581-582. DOI:10.1038/249581a0.
[4] Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against IgE, Davenas, E., et al. Nature, 1988, 333, 816–818. DOI:10.1038/333816a0.
[5] Benveniste under review, Nature, 1989, 340, 89. DOI:10.1038/340089b0.
[6] Histamine dilutions modulate basophil activation, Belon P., et al. Inflammation Res. Birkhäuser Basel. 2004, 53, 181–188. DOI:10.1007/s00011-003-1242-0
[7] Thermoluminescence of ultra-high dilutions of lithium chloride and sodium chloride, Rey, L. Physica A, 2003, 323, 67–74. DOI:10.1016/s0378-4371(03)00047-5
[8] 雷使用重水的原因是重水氫鍵作用比普通水更强，更容易觀測到熱釋光現象。
[9] Icy claim that water has memory, New Scientist, https://www.newscientist.com/article/dn3817-icy-claim-that-water-has-memory/
[10] 只能説是時人根據自己的想象模仿，因爲沒有人知道原始海洋和大氣的成分。
[11] Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions, Miller, S. L. Science, 1953, 117, 528–529. DOI:10.1126/science.117.3046.528
[12] https://pubs.acs.org/toc/chreay/120/11
[13] 即原料高度稀釋，多種物料并存，中間產物不經分離和純化。
[14] 金屬有機試劑大多如此。2009年，加州大學洛杉磯分校一名研究人員死於一種金屬有機試劑引發的火災。參見：https://cen.acs.org/articles/87/i31/Learning-UCLA.html
[15] The 160-kilobase genome of the bacterial endosymbiont Carsonella, Nakabachi A, et al. Science, 2006, 314, 267. DOI:10.1126/science.1134196
[16] https://www.nature.com/articles/369281a0.pdf
[17] Soyfer, V. N. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics. 2001-09-01, 2 (9): 723–729. DOI:10.1038/35088598.
[18] 關於意識形態如何塑造了霍爾丹和奧巴林的化學進化理論，見：霍爾丹—Gouz S. 2012 J. B. S. Haldane, la science et le marxisme. Editions matériologiques, Paris；奧巴林—Lazcano A. 2016 Alexandr I. Oparin and the origin of life: a historical reassessment of the heterotrophic theory. J. Mol. Evol, DOI: 10.1007/s00239-016-9773-5。
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