4.2 飯後

●　看電視

吃完晚飯並收拾好廚房後，你坐在客廳的沙發上看電視。你對電視節目缺乏興致，因為你隻是偶爾看看新聞、自然和科學紀錄片以及電影。你一直都認為電視是一個非常棒的傳媒工具，具有巨大的文化潛力（在過去的意大利，它有著重要的教育作用）。但一段時間以來，電視節目內容的平均質量屢創新低。不過，撇開節目內容，電視機本身可以稱得上技術瑰寶，其背後是幾個世紀以來積累的科學知識，當然其中也不能缺少化學。

幾年前，幾乎所有電視的顯示器使用的都是陰極射線管（cathode-ray tube， CRT）。陰極射線管最早由英國物理學家、化學家威廉·克魯克斯於1870年左右研製。克魯克斯借助這種裝置揭示了所謂的陰極射線（cathode ray）。19世紀末，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆森發現，陰極射線由帶有負電荷的微觀粒子束組成，這些粒子被稱為電子。原子的外部就是由電子構成的，因此所有的化學反應都伴隨著電子的轉移（見第一章第2節拓展：化學鍵）。對化學家來說，電子就像神一樣，沒有電子就不會有化學！

1897年，德國物理學家卡爾·費迪南·布勞恩（Karl Ferdinand Braun， 1850—1918）使用克魯克斯管（陰極射線管）製作了第一台陰極射線管示波器（cathode ray oscillograph），這是一種能夠在屏幕上顯示電信號的儀器。1907年，俄羅斯科學家、發明家鮑裏斯·羅辛（Boris Rosing， 1869—1933）做了一個實驗，他成功地在用陰極射線管製成的屏幕上顯示出了幾何圖形——這就是電視機的雛形。

陰極射線管屏幕上的圖像由陰極的電子束產生，電子束會被適當的電極加速，並由源自電視電路的電磁場“驅動”。屏幕內部由熒光粉覆蓋。熒光粉是磷光材料，當它們被電子束擊中時會發光。電子束的能量將熒光材料的最外層電子激發到更高的能級，當這些電子返回到它們原來的能級時，它們會以光的形式釋放出多餘的能量。最常用的熒光材料之一是硫化鋅（ZnS），除了它，我們也會使用鋅、鎘、錳、鋁、矽和一些稀有金屬（稀土）的氧化物、硫化物、硒化物、鹵化物或矽酸鹽。但是，為了能夠發揮其效果，這些材料中必須加入少量的磷光活化劑（Phosphorescence activator）。磷光材料是一類半導體（見第一章第1節），活化劑的存在會在禁帶內產生新的能級，這是觸發磷光現象的必要條件。對於硫化鋅熒光材料，廣泛使用的活化劑是銅和銀。

彩色電視使用了能夠發出紅、綠、藍3種不同顏色的熒光粉，還都具有聚焦係統的3個陰極。每個陰極產生一個電子束，而每個電子束又隻能激發3種顏色中的1種熒光粉。陰極射線管的電子束會產生少量的X射線，所以電視機的屏幕是由鉛玻璃製成的，它可以吸收X射線。

目前，用陰極射線管製成的電視幾乎完全被平板電視取代。平板電視的實現通常會使用到各種類型的技術，如[可能帶有LED（發光二極管）背光的]液晶顯示（LCD）、等離子顯示（PDP）和有機電致發光顯示（OLED）。

關於LCD和LED，我們已經在第一章第1節中的鬧鍾部分講到過。當然，彩色電視的屏幕技術比鬧鍾的顯示屏技術更為複雜，但它們的工作原理基本上是一樣的。

而等離子顯示器（PDP）使用的原理就有所不同了。“等離子體”是指由正離子和電子（同樣來自氣體原子的電離）的集合體組成的離子化氣體狀物質。它被認為是物質聚集的第四種狀態，其他3種是固態、液態和氣態。它的發現要歸功於前麵提到的威廉·克魯克斯。但“等離子體”這個名字則是由美國人歐文·朗繆爾（Irving Langmuir， 1881—1957）——1932年的諾貝爾化學獎得主在1927年首創的。等離子體有特殊的性質，它由可以自由移動的電荷組成，所以它的導電性能優良，並且對電磁場也很敏感。在地球上，等離子體很少會自發形成，隻有在閃電和北極光中才會出現等離子體。但在宇宙中，等離子體就很常見，比如恒星和星雲就是由等離子體構成的。

等離子顯示屏由兩片玻璃組成，在這兩片玻璃之間有成千上萬個小單元，小單元裏含有惰性氣體氖（Ne）和氙（Xe）的混合物。在單元上連接著兩組電極。通過適當的放電，惰性氣體的混合物被轉化並保持在等離子體狀態。交流電壓使帶電粒子（離子和電子）來回移動。在這些條件下，氣體等離子體發出人眼看不到的紫外線輻射。紫外線輻射通過覆蓋在單元內壁上的磷光物質（熒光粉）轉化為可見光。因此，每個單元就表現得像一個微型的熒光燈。

每個單元（對應一個像素）包含3個獨立的子單元，每個子單元都有不同顏色的熒光粉，分別是紅色、綠色和藍色。通過改變流經不同單元的電流，控製係統可以改變每個子單元中顏色的強度，利用三色技術（見第一章第5節）創造出數十億種不同的綠、紅、藍組合，提供極其精確的色彩渲染。液晶顯示器（LCD）和等離子顯示器（PDP）與老式的陰極射線管顯示器（CRT）相比有幾方麵優勢。首先是它們的尺寸更小。另外就是LCD和PDP還提供了更穩定明亮且不閃屏的圖像，這樣即使我們近距離觀看也不會感到疲勞。不過，這些顯示器的單個像素的視角方麵存在一些缺點，尤其是對於LCD屏幕來說。LCD屏幕也有可能在黑色的深度方麵（屏幕無法做到純黑）出現問題。因為即使液晶麵板是“封閉”的，卻仍有一些光線通過。而PDP屏幕就不會發生這樣的情況，因為封閉的等離子麵板不會發出任何光線。另一方麵，在PDP屏幕中，像素的大小不能低於某個限製的值。正因此，才沒有小於32英寸的等離子顯示屏（屏幕尺寸是指其對角線的長度）。最後一點就是，PDP顯示器中的熒光粉可能會隨著時間的推移出現老化的跡象，從而使畫麵質量降低。

一段時間以來，市場上已經出現了采用OLED新技術製造的電視機。OLED是指有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode）。正如我們在第二章第1節最後那裏解釋的那樣，有機化合物是含碳化合物。用於OLED的有機物質有兩種類型：小分子和聚合物（這裏我們說的是LEP，發光聚合物，見第三章第2節）。

20世紀50年代初，在南錫大學（University of Nancy）的法國化學家和物理學家安德烈·貝爾納諾斯（Andr Bernanose，1912—2002）首次觀察到有機物質在有電流的情況下發出光來（電致發光）。1960年，物理化學家馬丁·波普（Martin Pope，生於1918年）在紐約大學進一步開展了對有機化合物的電致發光現象的研究，為該現象的理論解釋做出了重要貢獻。1965年，加拿大國家研究委員會的沃爾夫岡·海爾弗裏希（Wolfgang Helfrich，生於1932年）和威廉·喬治·施奈德（William George Schneider，1915—2013），以及陶氏化學公司（Dow Chemical）的研究人員又做出了其他的貢獻，他們為一種製備電致發光元件的方法申請了專利。

而首次對聚合物薄膜進行電致發光觀察的則是英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory）的羅傑·帕特裏奇（Roger Partridge）。他在此過程中使用的是2.2微米厚的聚乙烯基哢唑[Poly（N-vinyl carbazole）， PVK]薄膜，他們的成果於1975年獲得專利，並於1983年發表。1987年，在伊士曼柯達公司（Eastman Kodak Company）工作的中國化學家、物理學家鄧青雲（生於1947年）和美國化學家史蒂文·範·斯萊克（Steven Van Slyke）製作了第一台高效率、低電壓的有機顯示器。這些顯示器由兩層有機材料組成，一層作為空穴接受體，另一層作為電子接受體，從而以低電壓實現高亮度。1990年，劍橋大學卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory of Cambridge）的傑裏米·伯勞斯（Jeremy H. Burroughes）及其合作者利用100納米厚的聚對苯乙烯[Poly（p-phenylene vinylene）， PPV]薄膜的電致發光，實現了一個高效率的裝置，使這一領域的研究又向前邁進一步。最後，在2008年7月，索尼（Sony）、東芝（Toshiba）和鬆下（Panasonic）公司宣布聯合生產OLED技術的顯示屏。典型的OLED屏幕是由位於兩個電極（陽極和陰極）之間的有機材料層組成的，其陽極和陰極全部沉積在基板上。

導電聚合物之所以會導電，是因為其特殊的結構，即結構中碳原子之間的單鍵和雙鍵交替出現[共軛聚合物（Conjugated polymer）]。這些材料的導電性能可與無機半導體相媲美。量子力學表明，這些分子擁有特殊的能級，該能級與被稱為HOMO（最高占據分子軌道）和LUMO（最低未占分子軌道）的軌道有關，HOMO與LUMO之間的能量差對應於無機半導體的價帶和導帶之間的能隙。這種類型的聚合物中第一個被合成的是聚乙炔（Polyacetylene， PAC），於1959年由居裏奧·納塔實現。但納塔得到的是粉末狀的聚乙炔，這顯然沒有什麽意義。1974年，日本化學家白川英樹（Hideki Shirakawa，生於1936年）製得了薄膜狀的聚乙炔。1977年，新西蘭化學家艾倫·格雷厄姆·麥克迪爾米德（Alan Graham MacDiarmid， 1927—2007）和美國物理學家艾倫·傑伊·黑格（Alan Jay Heeger，生於1936年）發現，聚乙炔可以像無機半導體一樣進行摻雜，從而打開了有機電子學的大門。白川、麥克迪爾米德和黑格因這一發現獲得了2000年的諾貝爾化學獎。

OLED技術可以製造出非凡的顯示器，這種顯示器屏幕如紙一般輕薄且極具柔韌性。而且，與普通的LCD顯示器不同，OLED顯示器不需要背光源，因為它們自身會發光，這樣就可以節省大量的能耗。另外，由於OLED是由塑料材料製成的，因此可以使用油墨打印機，甚至是絲網印刷技術輕鬆地將材料印刷在任何基板上。OLED顯示屏色彩豐富，亮度不錯，視角也比LCD寬，黑色這個顏色的質地也要好很多。OLED的最大缺點就是它壽命有限，就目前而言，它比LCD和PDP的壽命都要短。但是這項技術還未成熟，未來肯定還會有很大發展。OLED的一個最新發展是AMOLED（有源矩陣有機發光二極管）。它也是由3層結構組成，包括陰極層、有機分子層和陽極層。然而，陽極層結合了一個形成矩陣的薄膜晶體管（Thin Film Transistor， TFT）網絡。這個薄膜晶體管網絡構成電路，而電路決定哪些像素會被打開形成圖像。這項技術使顯示器變得更薄、更輕、更堅固，能在低功耗下運行，並以較低的成本（與普通的LCD相比）提供更好的圖像質量。一些最新的智能手機已經使用了這種技術。

●　一個驚喜：煙花表演

由於電影非常無聊，你在沙發上睡著了，但是一聲巨響讓你驚醒。從窗戶望去，你看到對麵的山丘上在為慶祝守護神節日而進行的煙花表演。你發現煙花表演要比電影有趣得多，所以就站在窗前看起了煙花，這真是一個驚喜。

花炮的製造，或者說煙花的製造，起源於中國。歐洲在1300年前後開始發展煙花技術。這是一門古老的藝術，盡管它基本上是在經驗的基礎上發展起來的，但還是包含了有趣的科學，尤其是化學方麵。

任何煙花的基礎都是火藥，也稱為有煙火藥或黑火藥，它們同樣也起源於中國，後由羅傑·培根（Ruggero Bacone，約1214—1294）傳播到歐洲，他在1242年公開了火藥成分。現在的火藥成分和過去的一樣，由75%的硝酸鉀（或稱硝石，KNO3）， 15%的煤粉和10%的硫黃粉（S）組成。在正常的燃燒中，燃料（還原劑）和助燃劑（氧化劑）發生化學反應，而火藥（以及一般的傳統炸藥）的燃燒與正常的燃燒相差無幾。唯一的區別就在於，火藥的助燃劑（氧氣）不是由空氣提供，而是由組成火藥的混合物中的一種固體成分（硝酸鉀）提供。

在化學反應過程中，燃料向助燃劑釋放電子，並與氧氣結合。生成物中的特殊化學鍵比反應物中的特殊化學鍵更穩定。因此，該反應放熱放能。點火後，反應發生得非常迅速，類似於能量的迸發。

煙花中的火藥既是推進劑，也是炸藥。火藥中的燃料包括碳和硫。除此以外，也有其他可燃物質被用於煙花，如糖（用於煙幕彈）、矽和硼（主要用於引信）以及鋁、鎂和鈦等金屬元素。金屬元素與空氣中的氧氣接觸燃燒，產生高溫並發出非常強的亮光（鎂也用於攝影，以產生拍照時經典的閃光，見第一章第5節）。金屬元素還用於產生伴隨煙花爆炸時的發射光，十分引人注目。煙花表演中看到的光基本上來自3種機製：白熾、原子發射和分子發射。爆炸釋放出的熱量會使固體粒子達到高溫狀態，發射出寬範圍的輻射光譜（白熾：某些物質由於處在高溫狀態下而發光的現象）。溫度越高，發出的輻射波長越短。例如，鎂燃燒產生的氧化物粒子的溫度可達到3000℃，這個溫度會導致物質發出非常強烈的白光。用高氯酸鉀（KClO4）和鋁的混合物也可以獲得類似的閃光。

許多金屬原子一旦因接收到了能量而被激發，就會發出屬於可見光（波長為380～780納米的電磁輻射）區域的電磁輻射。每種金屬元素都有自己的發射光譜，該光譜的特點就是有明確的波長值（因此也有明確的顏色）。輻射的發射是由於能量較高的軌道（電子被激發後到達的軌道）和能量較低的軌道之間的電子躍遷。每個電子躍遷都確定了一個光子的發射，而這個光子的能量就等於發生躍遷的兩個軌道之間的能量差。類似的機製也適用於那些一旦被激發就能發出輻射的分子。另外，激發分子也需要提高溫度，但如果溫度過高，分子就會分解，因此溫度的把控尤其重要。

煙花表演中所看到的顏色來自物質的原子發射和分子發射，而這些物質是通過向火藥中添加特定的焰色添加劑而形成的。因此，為了獲得紅色，我們添加了鍶（Sr）的化合物，它會產生波長在605～682納米的輻射。黃色是通過使用鈉（Na）的化合物獲得的，這種化合物發射波長為589納米的輻射。添加鋇（Ba）的化合物可以發出綠色，它發出的輻射波長為507～532納米。煙花製造者要解決的一個難題是如何製得藍色的煙花，因為沒有任何元素會發出這種波長的輻射。氯化亞銅（CuCl）的使用解決了這個問題。隻要溫度保持在一個精確的範圍內，氯化亞銅分子就會發出美麗的藍色輻射。然後，通過結合不同的物質還可以獲得特定的顏色。例如，紫色是從氯化鍶（SrCl2）和氯化銅（CuCl2）的聯合發射中獲得的。

除了顏色，煙花在天空中描繪的“圖案”也很重要。彈道方麵由煙花的構造方法來調節。裝填的火藥作為推進劑，將火焰帶到高空。在發射的那一刻，還點燃了延時引信，以便爆炸在高空中發生，最後爆炸就會誘發焰色反應。發射筒的結構可以實現多次連續的爆炸，產生奇異的效果。

我們說，煙花技術的發展基本上是建立在經驗的基礎上，並由少數家族世代相傳。直到最近，科學界才開始研究這一主題。也因此，關於煙花技術的文獻不是很多。在過去的作品中，值得一提的是範諾西奧·比林吉奧（Vannoccio Biringuccio， 1480—約1539）的《論煙火》（De la pirotecnia）。作者死後，這本書於1540年在錫耶納（Siena）出版。這部作品涉及從金屬的提取和加工以及火藥的軍事用途等各種主題[69]。

●　親密生活中的化學：

避孕藥和治療**功能障礙的藥物

令人驚喜的煙花表演結束了，你看了下時間，該睡覺了。你鑽進被窩，但你和妻子都還沒有睡意，然後……也許你從未想過這個問題，但化學也可以介入親密關係中，影響你生活中最隱私的方麵。

早在古代，人們就琢磨著如何節育，並且那時候就不乏化學方法的使用[70]。

埃及的《彼得裏紙莎草書》（Petri papyrus），其曆史可追溯到公元前1850年，上麵有內容表明，在男女發生關係前必須將某種被認為是避孕製劑的東西塞進**。在另一部公元前1550年的紙莎草書——《埃伯斯紙莎草書》（Ebers papyrus）中則詳細描述了可以被認為是曆史上第一種能夠殺死**的工具，它就是用蜂蜜和阿拉伯樹膠浸濕後的羊毛棉球。其殺精效果可能源於阿拉伯樹膠的發酵，因為發酵產生的乳酸為**的活動創造了一個不利的環境。在其他埃及紙莎草書中，也有建議使用浸泡在蠟和石榴籽提取物中的棉球。我們今天知道，石榴籽含有植物雌激素（phytoestrogen），這種物質能夠與雌激素（estrogen，女性激素，見下文）的受體結合，影響促性腺激素（gonadotropin）的產生。公元前1世紀的印度教文獻中記錄了用化學手段避孕的方法，該方法使用的是藥用植物，我們今天已經知道這些植物具有抗促性腺激素活性。在《塔木德》（Talmud）中還描述了浸有各種植物成分的**海綿的使用。在公元前5世紀，希波克拉底（Ippocrate）提出了一些口服避孕的方法，包括吞服硫酸鐵和銅的混合物以及從各種植物（如番紅花、月桂樹、蕁麻種子或牡丹的根部）中提取的製劑。

在羅馬帝國時期，除了使用清洗避孕法外，動物的**也開始被用作受精的機械障礙，由此出現了第一種簡單粗糙的**。多個世紀以來，動物薄膜（**和腸子）和布料是用於這一目的的僅有材料。1555年，來自摩德納（Modena）的醫生、自然學家加布裏埃爾·法洛皮奧（Gabriele Falloppio，約1523—1562）發表了關於男用**的科學文章，表明**除了用於避孕，還可以有重要的預防作用，特別是防止梅毒的感染。直到1839年查爾斯·古德伊爾（Charles Goodyear）發現了橡膠的硫化過程（參見第三章第2節），我們才有了製作**的合適材料，並且由此促進了**的傳播。但與此同時，人們也在繼續努力尋求有效的化學避孕方法。例如，1880年，倫敦的藥劑師沃爾特·倫德爾（Walter Rendell）發明了一種殺精製劑，該製劑具有卵子的形狀，由可可脂和硫酸奎寧製成。在20世紀，人們為獲得有效的化學避孕方法不懈努力著。

1901年，奧地利生理學家路德維希·哈伯蘭特（Ludwig Haberlandt， 1885—1932）證實，月經受到卵巢以及大腦產生的一種激素的調節。哈伯蘭特還在1919年證實，將妊娠母兔的卵巢切除，然後移植到非妊娠兔子的體內，可以抑製非妊娠兔子的排卵。1929年，德國生物化學家阿道夫·布特南德（Adolf Butenandt， 1903—1995）成功地分離出雌酮（estrone），隨後又分離出其他主要的男性和女性的性激素，如雄甾酮（androsterone， 1931年）、孕酮（progesterone）和睾酮（testosterone， 1934年）。由於這些成就，他在1939年獲得了諾貝爾化學獎。同時，由於瑪格麗特·桑格（Margareth Sanger， 1879—1966，她是一名護士，也是節育倡導者）等人的鬥爭，在醫學領域和社會層麵，人們開始接受計劃生育，盡管此時還有宗教陣營不斷進行意識形態上的抵製。1912年，英國開設了第一家節育診所。1926年，上議院授權啟動了有關這些主題的教學課程。與此同時，第一批激素類的避孕藥也開始投放市場。1934年，在德國先靈製藥公司（Schering AG）的實驗室裏，化學家歐文·史威克（Erwin Schwenk）和弗裏茨·希爾德布蘭德（Fritz Hildebrand）成功合成了用於還原雌酮的雌二醇（estradiol）。1934年，同樣是在先靈公司實驗室裏，德國化學家漢斯·英霍芬（Hans Inhoffen， 1906—1992）和醫學家沃爾特·霍爾維格（Walter Hohlweg， 1902—1992）成功合成了炔雌醇（ethinylestradiol）（圖36）。這一成就非常重要，因為炔雌醇至今仍是口服避孕藥中常用的雌激素成分。他們還製作出了第一種合成孕激素製劑。1944年，哥廷根（Gottingen）的維爾納·比肯巴赫（Werner Bickenbach）和保利科維奇（E. Paulikovics）通過使用孕酮成功實現了對女性排卵的抑製。

圖36　炔雌醇的分子結構

口服避孕藥發展的轉折點是在1950年，創立了美國計劃生育協會（Planned Parenthood Federation of America）的瑪格麗特·桑格遇到了美國生理學家格雷戈裏·平卡斯（Gregory Pincus， 1903—1967）。平卡斯一直在進行激素實驗，但他資金告急，研究麵臨中斷的風險。桑格便設法讓凱瑟琳·德克斯特·麥考密克（Katharine Dexter McCormick， 1875—1967），一位堅定地捍衛婦女權利的富有寡婦，向他捐贈了一大筆錢。幾年後的1956年，格雷戈裏·平卡斯與他的同事、中國生物學家張明覺（1908—1991）和哈佛大學的婦科醫生約翰·洛克（John Rock， 1890—1984）一起，進行了對雌激素、孕激素藥片（藥片中的激素劑量比今天高40倍）的首次臨床試驗。這項實驗在美國被認為是非法的，因此該實驗是在波多黎各（Porto Rico）和海地（Haiti）的67名誌願者婦女身上進行的，並且宣稱是一項針對月經紊亂的研究。隨後他們又在波多黎各和墨西哥進行了進一步的實驗。最後實驗的結果非常成功，第一批避孕藥於1960年在美國注冊並開始銷售。1961年6月10日，柏林的先靈製藥公司在歐洲和澳大利亞上市了第一款口服避孕藥Anovlar?。

避孕藥的上市引發了無休止的道德和宗教爭論，意識形態常常淩駕於科學之上。1968年的學生起義[3]極大地促進了避孕藥的普及。在意大利，直到1971年，憲法法院才廢除了關於禁止避孕的《刑法》第533條，並於1975年建立了公共谘詢中心，為人們提供關於避孕的正確信息。

如果說避孕用具，特別是避孕藥的傳播代表著人們的思想觀念和生活作風發生了深刻的改革，使數百萬婦女擺脫了意外懷孕的風險，那麽最近，化學又促進了人們親密生活的第二次革命，不過這次是針對男性的。

與其他動物不同，人類男性的**中沒有骨頭。因此，為了**，必須發生一係列決定****的複雜生理過程。但這一切並不總是都能正常進行，**功能障礙的問題一直困擾著男性，各種迷信、讒言以及旁人的嘲弄永無休止，輿論中心的人們也深陷沮喪和屈辱。在古代，人類和動物的生育能力以及農業，一直與神奇的宗教儀式聯係在一起。因此，那些患有**的人會求助特定的神靈，這些神靈通常以**的**形式出現。例如，希臘人和羅馬人都會有“**遊行”，這是為了紀念普裏阿普斯（Priapus）和狄俄尼索斯（Dionysus）而舉行的莊嚴遊行，遊行中伴隨著歌唱和舞蹈，人們抬著巨大的木製男性**前進。在《聖經》中，**被描述為神的懲罰。《創世紀》中說，上帝使傑拉卡（Geraca）的國王阿比梅勒赫（Abimelech）患有**，因為他覬覦亞伯拉罕（Abramo）的妻子莎拉（Sara）。根據希波克拉底（約前460—前377）的說法，****是由氣息（空氣）的流動和生命精神決定的。隻有在達·芬奇的解剖學研究中，人們才知道**是由於血液流動促成的。1677年，荷蘭醫生和解剖學家萊納·德格拉夫（Reiner de Graaf， 1641—1673）對此進行了演示，他們通過向髂內動脈注水使屍體的**發生了**。

在中世紀，為了治療**，人們在飲食上依賴於形狀像**的蔬菜和水果，或者牡蠣和動物睾丸，他們相信這些東西具有壯陽的效果。從16世紀開始，舉行了多次教會庭審來決定婚姻的無效性。在這些庭審中，被懷疑**的丈夫不得不在神學家、醫生和助產士麵前公開展示他們的**能力，其中的羞辱和挫敗可想而知。

隨著時間的推移，醫學的發展使得人們能夠更好地了解****的機製，並將**功能障礙與各種器質性原因以及心理原因聯係起來。但是，問題依然沒有得到解決，在20世紀60年代，人們開始實驗陰莖假體的使用。在80年代，對局部注射的藥物進行了實驗。但這些補救措施都存在很多問題。直到90年代，這一問題的研究取得了前所未有的飛躍性進展。

1989年，在英國桑威奇（Sandwich）的輝瑞中央研究院（Pfizer Central Research），由彼得·鄧恩（Peter Dunn）和阿爾伯特·伍德（Albert Wood）領導的研究小組在研究一種新分子（以縮寫UK-92480表示）的特性，它能夠抑製磷酸二酯酶V型（phosphodiesterase type 5， PDE5）的活性。這種分子可以舒張血管，起到擴張血管的作用，因此，人們認為它可以用於治療心血管疾病，例如心絞痛和高血壓。1991年，這種分子製成的藥物獲得了專利，並推進了臨床試驗計劃，以便投放市場。但是，在試驗過程中，接受治療的病人注意到了該藥物的一個奇怪的副作用，那就是****次數異常增加。起初，這一副作用並沒有被人們重視。但該藥物在治療血管疾病方麵效果平平，增加了人們對這種意外的副作用的興趣。另外人們注意到，該藥物還能重新激活患有**的受試者的**功能。同時，關於**生理學的一些研究已經明確，**是由於陰莖中動脈平滑肌的鬆弛而發生的，這個過程中會有血流量增加。此機製由一個簡單的分子，即一氧化氮（NO）介導。這些研究的推進主要歸功於意大利裔美國藥理學家路易斯·伊格納羅（Louis J. Ignarro，生於1941年）、美國生物化學家羅伯特·弗朗西斯·弗奇戈特（Robert Francis Furchgott， 1916—2009）、美國醫生和藥理學家費裏德·穆拉德（Ferid Murad，生於1936年）。三人獲得了1998年的諾貝爾生理學或醫學獎。《科學》雜誌曾在1992年將一氧化氮分子評為年度最佳分子[71]。

繼續進行UK-92480的實驗，我們了解到它正是通過上麵提到的這種機製發揮作用的。當男性受試者受到性刺激時，他的大腦會通過向周圍神經發送信號來觸發**。這些信號導致**區域的血管中釋放出大量的一氧化氮，刺激血管擴張和血流量增加，從而產生**。**發生問題通常是由神經末梢產生的一氧化氮不足引起的。UK-92480分子通過放大氣體的作用在分子水平上發揮效能。但是，應該注意的是，該分子隻能在已經存在一定濃度一氧化氮的血管中才會發揮作用。這意味著這種分子本身不能產生**，而隻有在大腦發出信號的情況下，也就是隻有在受到性刺激時才會產生。

從化學的角度來看，UK-92480分子具有相當複雜的結構和一個很難讀出來的名字：1-{[3-（6,7-二氫-1-甲基-7-氧代-3-丙基-1H-吡唑並[4,3-d]嘧啶-5-基）-4-乙氧基苯基]磺酰基}-4-甲基呱嗪檸檬酸鹽，即1-{[3- (6,7-dihydro-1-methyl-7-oxo-3-propyl-1H-pyrazolo[4,3-d]pyrimidin-5-yl) -4-ethoxyphenyl]sulfonyl} -4-methylpiperazine citrato（見圖37）。

簡潔一點，它被稱為枸櫞酸西地那非（Sildenafil Citrate），但更簡潔一點，它就是我們所說的“偉哥”（Viagra）。偉哥是美國食品藥品監督管理局於1998年3月27日批準其上市後給予它的商品名稱。經過4年的進一步試驗（涵蓋4000多名受試者）它才獲批上市，在試驗期間，人們試圖通過優化劑量來獲得藥物預期的效果並將副作用降至最低。

圖37　偉哥的分子結構

因為**問題極為普遍，所以偉哥以及其他類似藥物的市場推廣有效地解決了幾千年的難題，使數百萬男性恢複了“性”福。據估計，2012年歐洲有此類問題的男性人數超過了3000萬，其中僅意大利就有300萬人。這一人數似乎還在上升。據預測，到2025年，將有4300萬名男性會受到**功能障礙的困擾。

拓展：化學與藥物

疾病不是靠說話而是靠藥物來治愈的，一個人不是靠說話而是靠實踐來成為農民或水手的[72]。

“藥品”這個詞來源於希臘語的φαρμακ??（Pharmakós），最初表示獻祭犧牲者、替罪羊。如果說最初的Pharmakós儀式是一種殘忍的獻祭，那麽隨著時間的推移，它就變成了一種象征性的獻祭。例如，希臘詩人伊波納特（Ipponatte，公元前6世紀）講述了一個因醜陋而被選中的人為了集體的利益而被供養，然後在某一天，人們為了遠離他的不幸和疾病而粗暴地將他趕出城市的故事。

隨著時間的推移，Pharmakós一詞變成了Pharmakéus，指某種能夠抵禦疾病的物質（藥劑、藥物等）或人（醫者、薩滿等）。最後，這個詞又進一步變成了φ?ρμακον（phármakon），表示治療性的植物、毒藥或藥物，從而接近今天的含義。

人類使用的第一種藥物當然是由動物、植物和礦物的產品組成。古代最流行的藥物之一是解毒糖劑（teriaca或triaca）。這是一種能夠治療許多疾病的奇藥，含多種成分，其中包括必不可少的蝰蛇肉。盡管解毒糖劑的治療效果不大，但是它的使用橫跨了幾個世紀。在中世紀，人們對植物特別感興趣。為了利用植物的治療特性，在“簡單的花園”中種植了許多植物品種。

直到文藝複興時期，人們才首次嚐試了化學藥理學的研究。瑞士醫生、煉金術士和占星術家帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus，全名Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim， 1493—1541）是醫療化學（iatrochemistry）的主要代表人物。“醫療化學”這個詞來源於希臘語，?ατρ??（iatrós）意為“醫生”，χημε?α（chemeía）意為“化學”。根據這一概念，我們可以通過攝入某些合成物質來恢複健康。

醫療化學有一個更為廣泛的概念，叫作spagirica（來自希臘語σπ?ω， spáo，意為“分離”，和?γε?ρω， aghéiro，意為“結合”）。這是一種基於自然規律研究的醫學學說，與希波克拉底和蓋倫（Galen）的傳統醫學相對立。但蓋倫的醫學發展更成熟，在很長一段時間裏，人們仍在使用蓋倫療法。例如，解毒糖劑持續大規模生產，以至在威尼斯（產出的解毒糖劑在各地都很有名，並廣受讚賞），人們不得不人工飼養蝰蛇，因為大批量生產已經使野外捕獲的蝰蛇（作為解毒糖劑的主要成分）供不應求了。

真正的藥物化學的誕生是在19世紀的第一批有機合成物誕生之後（見第二章第1節拓展：碳和有機化學）。

講述藥物化學的曆史會需要很多篇幅，所以我們僅回顧一些重要的階段。

1844年，法國化學家安托萬·熱羅姆·巴拉德（AntoineJér?me Balard， 1802—1876）合成了亞硝酸異戊酯（isopentyl nitrite）。1857年，蘇格蘭醫生托馬斯·勞德·布魯頓（Thomas Lauder Brunton， 1844—1916）發現了這種化合物在治療心絞痛方麵的作用。1879年，英國醫生威廉·穆瑞爾（William Murrell，1853—1912）發現，用硝化甘油（nitroglycerine）也可以獲得類似於亞硝酸戊酯的效果。硝化甘油是由皮埃蒙特（Piemonte）的化學家阿斯卡尼奧·索布雷羅（Ascanio Sobrero， 1812—1888）在1847年合成的。19世紀末，其他合成物質也開始用於治療目的，比如酚酞（phenolphthalein， 1871年）、薄荷醇（menthol，1884年）、萜品（terpin， 1885年）和從石油提煉中獲得的凡士林（vadeline）。

1863年，德國化學家阿道夫·馮·拜爾（Adolf von Baeyer，1835—1917）合成了巴比妥酸（barbituric acid），它是一種精神活性類藥物的前體（見第五章第1節）。

1886年，由法國化學家查爾斯·弗雷德裏克·格哈特（CharlesFrederic Gerhardt， 1816—1856）合成的乙酰苯胺（acetanilide）的退熱作用被發現。阿諾德·卡恩（Arnold Cahn）和保羅·海普

（Poul Hepp）兩位醫生誤將乙酰苯胺當作另一種化合物使用，然後就發現了它的退熱作用。此後，他們發表了對乙酰苯胺的觀察結果，並建議德國化學家弗裏德裏希·卡爾·杜伊斯堡（Friedrich Carl Duisberg， 1861—1935）使用對乙氧基乙酰苯胺（p-ethoxyacetanilide），即非那西汀（Phenacetin），它是一種有效的解熱鎮痛藥。隨後，這一領域的研究還促成了對乙酰氨基酚（acetaminophen），即撲熱息痛（Paracetamol）的誕生，這種至今仍被廣泛使用的藥物，由美國化學家哈蒙·諾索普·莫爾斯

（Harmon Northrop Morse， 1848—1920）合成。

19世紀，第一批製藥公司開始出現。1827年，德國藥劑師亨利希·默克（Henrich E. Merck）將他的家庭藥店改造成生物堿的製備廠，該工廠隨後成為化學製藥的巨頭。其他公司也先後成立，比如德國的拜耳（Bayer， 1863年）、赫斯特（Hoechst， 1863年）、巴斯夫（BASF， 1865年）、先靈（Schering， 1871年）；意大利的卡洛厄爾巴（Carlo Erba， 1865年）、多姆-阿達米（Domp-Adami，1890年）、勒多加（Lepetit-Dollfus-Gansser， 1884年，意大利的拜耳公司代表）以及瑞士的汽巴-嘉基（CIBA-Geigy， 1884年）和山德士（Sandoz， 1886年）等公司。

1853年，查理·弗雷德裏克·日拉爾（Charles Frederic Gerhardt）合成了乙酰水楊酸（acetylsalicylic acid）。1897年，德國藥劑師費利克斯·霍夫曼（Felix Hoffmann， 1868—1946）開發出了乙酰水楊酸工業合成方法，隨後拜耳公司以阿司匹林（aspirin）的名字注冊了這種藥物。這個名字中的前綴“a”表示乙酰基，而詞根“spir”來源於Spirea ulmaria（繡線菊），繡線菊這種植物中含有繡線菊酸，也就是水楊酸。水楊酸（最早是從柳樹皮中提取出來的，因此也叫柳酸）的治療效果以及它嚴重的副作用很早就被人們熟知了。乙酰水楊酸（阿司匹林）保留了水楊酸的解熱和消炎的特性，同時又減輕了它的副作用影響。在很短的時間內，阿司匹林就成為世界上最知名的藥物之一，直至今日仍然舉足輕重。圖38所示為乙酰水楊酸的分子結構。

圖38　乙酰水楊酸（阿司匹林）的分子結構

梅毒是藥理學麵對的一個巨大的挑戰，人們也早就發現砷化合物可以在抵抗梅毒方麵顯示出一定的效力。1909年，德國微生物學家保羅·埃爾利希（Paul Ehrlich， 1845—1915）和日本化學家秦佐八郎（Sahachiro Hata， 1873—1938）發現了撒爾佛散（arsphenamine或606），一種能夠有效對抗梅毒的感染性病原體——密螺旋體的化合物。這種化合物以砷凡納明（Salvarsan，字麵意思是“用砷來拯救”）的名字在市場上銷售，是對抗多種性病的利器。

1932年，德國生物化學家格哈德·多馬克（Gerhard Domagk，1895—1964）經過5年的實驗，發現了一種紅色偶氮染料的殺菌特性，該染料的化學名稱為4-[（2,4-二氨基苯基）偶氮]苯磺酰胺{4-[(2,4-diaminophenyl) diazenyl]benzenesulfonamide}，但通常稱它為百浪多息（prontosil）。在巴黎巴斯德研究院（l’institut Pasteur）進行的一項研究中，意大利人費德裏科·尼蒂（Federico Nitti， 1903—1947）和丹尼爾·博韋（Daniel Bovet， 1907—1992）也參與其中。該研究表明百浪多息本身並不是一種活性藥物，而是一種前體藥物，而活性分子實際上是百浪多息的代謝產物——磺胺（Sulfanilamide）。這一發現開辟了具有強大殺菌能力的磺胺類藥物的康莊大道。博韋因這一貢獻和對抗組胺藥的研究貢獻，獲得了1957年的諾貝爾醫學獎。圖39所示為磺胺的分子結構。

圖39　磺胺的分子結構（第一種磺酰胺）

1928年，英國醫生和藥理學家亞曆山大·弗萊明（Alexander Fleming， 1881—1955）意外發現了一種黴菌的殺菌作用。10年後，德國生物化學家恩斯特·鮑裏斯·錢恩（Ernst Boris Chain，1906—1979）和澳大利亞生理學家霍華德·沃爾特·弗洛裏（Howard Walter Florey， 1898—1968）從這種黴菌中分離出了活性成分——青黴素（penicillin）。這標誌著抗生素時代的到來。弗萊明、錢恩和弗洛裏因其發現在1945年被授予諾貝爾醫學獎。

現在，化學、生物學和醫學是維護我們健康的3個不可分割的盟友。但令人驚訝的是，在我們擁有強大且行之有效的藥學武器的同時，過時或胡編亂造的偽醫學在今天仍然存在，甚至還廣為流傳。這裏的偽醫學做法指的是那些所謂的替代性或補充性藥物，它們的原理通常基於已淘汰的科學概念[73]。從這個角度來看，典型的例子就是順勢療法（homeopathy）。順勢療法誕生於化學尚未發展的時候，它的原理非常矛盾。由於順勢療法的藥劑在製作過程中被極度稀釋，所以這種藥劑中沒有任何關於起始活性成分的痕跡。在這方麵，順勢療法的愛好者最好記住本節開頭引用的塞爾蘇斯（Celsus）的格言。

[1]目前尚沒有直接證據顯示番茄紅素具有以上作用。——編者注

[2]影響食物變質的因素很多，比如微生物在其中也起到了顯著的作用。——編者注

[3] 1968年5月起，歐洲各國陸續出現以學生為主導的群眾運動，史稱“五月風暴”。事件因青年學生反對美國的侵越戰爭而起，卻對歐洲的政治、文化、思想領域影響深遠。——編者注