生命现象有序性结构的化学解释

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1、第?卷 ? ! 年 第期 ?月 丽水师专学报#自然科学版 % 既然普通化合物 、 高聚物和生命 体都是由最基本的 化学元素组成 , 那么这些组成生命体的生物大分子要大到什么程 度 #量变 具有什么奇异功 能 、 产生什么突变 #质变 才能跨越无生命界进入生命界 , 等 等问题 , 历来存在着争论 。 矛盾双方有的 已 “和平共 处 ” 了一百多年 , 有的几经复出 , 至今仍处于交战的前沿 、 交叉科学的热点 。 ?生命现象的高度有序性与克劳修斯摘增原理 各学科的科学家们总喜欢把一 门新的学科能吞并入自己的专业范围 。 这并不是 “ 自 私自利 ” , 正是这种吞并 、 独立 、 综合 、 分

2、流螺旋式 上升推动了自然科学各学科的 发 展 。 在生物学发展史上 , 以一些物理 化学家为一方的机械论 , 他们力图用分析方法把生 物问题简化为物理问题和化学 问题 , 用 纯粹的物理 化学规律来说 明一切生命现象; 而以 生物学家为一方主张 活力论 , 认为生物机体内存在着 一种 特 殊的活力支 配 着整个生命过 程 , 生命世界和无生命世界有十分不 同 、 甚至截然相发的现象 , 并指 出两者之间隔着一 道不可逾越的宏沟 。 按照达尔 文的生物进化学说 , 地球上各种各样生物是逐渐演变过来的 , 这一演变过 程遵循由简单到复杂 、 由低等到高等的顺序进 行 。 这里的复杂 、 高等也就是

3、高度有序 、 产谨的结构 。 时 间上或空间上 、 功能上的有序是生命世界的 一个基本特征 。 例如 , 由有 些生物分子浓度随时间发生周期性变化的人体生物钟 学而来的 时间生物医学 , 其内容包 括 人体体温随时间的升降 , 高峰在下 午 : 一=时 , 生命过程中脉博 、 呼 吸快慢 , 血塘 含量早晨正常 、 午后 渐降 , 激素分 泌水平 、 血压代谢 变化 、 癌细胞增生时 间节奏性 、 以 ? 丈稿收到甘期 而且这种转化过程是不可逆的 。 最简单的例子是手摩擦 #机械运动有序转 变为热 #无序混乱 。 物理学家从大量实醛事实中发现 有序尚无 序转化的不可逆性的能量耗 散是许多自发过

4、程 的普遍特征 。 ?!。年德国物理学家克劳修斯、2+如唇 。/ 弓? 入嫡的 概念 , 确定了嫡增加原理来描述这一特征 。 并从热力学第二是律推论 整个宇宙总有一 夭要 达到一个嫡取极大值 的平 衡态一个宏观静止 、 夯子排列最 最混乱 的死寂状态 。 预言万物趋于无序 、 结构趋于消亡 。 这与生物学家认为生命世界趋子高度有冷的规律完 全相反 。 从克劳修斯?!。 。年提出了热力学第二定律 , 达尔文?!扣年提出生物进化学说 , 双方 矛盾持续了一百多年 , 基本上是一直 “和 平共处 ” 了一百多年 。 这在整个科学史上是十 分罕见的 。 如同?!年德国化学家韦勒# ? 0+2 ( 第,

5、 次用氯化按 、 氰酸盐合成了尿素 统一了 无机界和有机界以前那样 。 产生上述现象的“个重要原因正是大多数科学家认为 生命科学和非生命科学可能受制 于不同的自然规律 。 生 物序与化学波 生物序认为生命乃是结构序 和功能序有目的的协调系统 。 其中结构序是基础 , 生物 化学物质在空间和时间上的分布花样 。 功能序是表迭 , 生命系统实现某种生物目的的调 攀过 程 。 生物序有四大特征 层次性#分子 、 细 胞 、 组织 、 器官 、 系统 、 个体 、 种群 、 群落 、 生态 、 些拼 勿圈自复制 、 自组织 、 目的性 。 生物序最基本的单元是分子构型的手 性特征 , 凡具有手性特征的

6、分子均不能与它 的镜象童迭 , 手性分子的两个对映体具有相 同的能量 、 熔点 、 溶解度 、 沸点 , 但在生理代谢活 动中却表现出截然不同的生化和生理 特征 。 酶分子具有这种严格的手性识 别作用 , 表明蛋白质行使了麦克斯韦魔术的职能 。 一个代表性的例子是糖酵解循环中各种酶和中间化合物的浓度随时 间作有规律的周期性 变化 , 描述生物有序性的有各种规律 ; 如生物有序原理 , 。 /。 、 # ( 坛 比如有时可见 天空中白云形成 整齐鱼鳞状 排列的 “鲤 鱼斑” 或带状间隔排 列的 “云 街” 。 在火被岩和 变质岩中可以发现 一些 非常规则 的花纹 。 在流体力学中 , 当 流体层

7、上下温差超过某一 临界值 , 原来静止的 流体中会出现许多非常 规则的漂亮图案 #六角形结构 或水平烟 卷 形排列结构 。 这就是著名的 贝纳特 #2 ) ( 现象 。 无生 命界有序性专一性的突出例子是结 晶 , 由于每组 分子或离 子在结构上的互补性#类似于 生物专一 性的基因精微互 补以及结晶余留部分 的互补性 , 产生了晶体结构高度有序化 的专一性#但与生物不同 , 这是平衡体系 。 尤其引起科学家们兴趣的是苏 联科学院生 物物理所的化学家别 洛索夫#? !年# 加+ 如生物振荡和 化学 振 荡之 间 , 生物形态和化学系 统化学组分形成 的空间花纹之间 、 生物生理信息传递与化学 波

8、 , 正常人的脑电波记录 与化学混沌现象之间 、 糖酵解循环振荡和盘 基网杆菌阿来巴聚集体 形成 的波状花纹 等等 。 人 们不仅用耗散结构理 论模 型设 法填平生命系统与非生命系 统之 伺原来认为不可 逾越的鸿沟 , 并开始 从研究化学系统之间 时一空有序现象入手去探索生 物有序现象 , 去重新认识生物进化学 说 , 试图解释人体的免疫系统和肿瘤的生 长及防 治 。 根根耗散结构理论 , 任何一种新的有序状 态的 出现可以看作是旧状态失去稳定性 , 而使得某些宏观均匀 , 其实有不均匀 “ 涨落 ” 放大的结 果 。 通过涨落达 到有序 , 涨落的 放大类似于生 物 波化 学波 。 生物系统

9、特定 基本单元#分子 、 细胞 、 组织 的数量来 说都会发生涨落 , 本来稳定的状态#定态并非平 衡态在特定外界条件下 #生物体本身又 是环境的一部分突然失去稳定性而 不能继续存在 , 从而某些涨落可以放大而驱动整个 系统逐级分岔 , 又达 到某种稳定的有序态 。 根据癌的成 因学说 , 人体本来就有癌细胞 , 都有正常的涨落维持平衡 , 一 当环境变化 , 导 致涨落放大逐级分岔 , 局部出现大量 的癌 细胞直 到稳定的有序态而形成肿瘤 。 可见 , 治防癌就可以从如 何调节状态稳定 性入手 。 应 该指出 , 力求解释 生物有 序现象本身就 是导 致建立耗散结 构理论的主要原动力之 一

10、。 对生命现象的研究又 同样促进 了耗散结构理论的发展和完善 。 9 化学面临,生命科学的质疑和挑战 耗散结构理论对生命现 象的解释是 对热力学第二定律的发展 和补充 。 但矛盾并未完 全解决 , 缓和是暂时的 。 我们 在研究生命科学中的化学问题 时 , 可以说 , 现有的化学理 论 、 观点方法许多已不敷应用 了 。 因为生命这一高级运动形式可以还原分解成多少化合 物所参与的成千上万化学反应的加合和简单组合 , 无生命的大分子转变到什么程度才会 出现有生命生物大分子 , 即从量 变到质变 , 由 “死” 变 “活” , 这 些问题 到 目前为止谁 也无法回答 。 显 然 , 从 +.) 4

11、结构理论解释无生命的小分子和 人工高聚物的 性 质 , 但不能解释 生命体系的特征 、 解释 “死” 与 “活” 的 相关性和差异性 , 无生命界与 生命界必竟截然不 同 。 例 如生命体至少有自我调节 稳态的能力 、 开放性 , 有识 别 能力 和繁殖后代的能力 。 两者重要的在于背景不 同 。 应当把 生物活性物质和 它们所参与的反 应放到生物背景中去研究 , 而不 是在化学实验室 、 水溶剂介质中 , 可以想象 , 这一过程 的实现是很困难 的 。 环境效应不论对生物问题和化学问题都是极为重要的 。 正如我们在 工业生产工 艺流 程试验中碰 到的那样 , 小型 试验可 行 、 重现 性好

12、 、 工艺参数能达到 , 但 到中试或扩大试验有时就不那么理 想 , 甚至情况很糟糕 。 生物系统基本 上是溶液 系统 , 但众多反应不 是简单地由动力学热力学所决定 。 生物 系统中反应是定位 , 传质是定向的 , 电子是定向传递 , 能量是小份耗散并相互影响 。 例 丽水师专学报#自然科学版 ? ! 年?月 如 , 抗癌药物顺铂#3. /一 外源性物质水解与86 作用,其中先作用 于膜磷脂 、 膜蛋白 , 引起膜损伤 , 改变蛋白质构象 , 最后表现出来的人体总体反应 , 即细胞对 顺铂的全息应答 。 因此 , 研究生物系统的化学基本上是研究隔室化开放系统中多种化学 反应相互影响以及由此造

13、成的互相调控作用 。 生物系统介质效应比化学介质效应 更为明显 。 生物介质中除简单水溶依外 , 还常遇 到象胶束 、 微囊 、 液晶秘分子筛#牙齿中的经基磷灰石 等等 。 微环境介质不仅受 离子强度 、 值等影响 , 还受疏水内环境 、 脂双 层 、 介电常数 、 水分子定向 、 水一疏水 基团 相互作用等特征支配 。 例如在色素型结石形成 的生物多反应系统中 , 核心反应是胆 , 红素 的聚 合和 钙化 , 它不能简单地归属 于难溶电解质固根形成过程 , 而是强烈地受胆汁 , 含有生物表面活 剂 胆汁酸盐 、 磷脂以及粘蛋白构成的 一种特殊生物介质性质 的按 一 制 。 生命科学中化学工作

14、者应完成的 任务还仅仅是开始 。 生物大分子材料结构组装 、 生 、 物技术工程 , 是一项极有发展前途的工作 。 近百年来 , 有机合成 工作是以煤焦 油 、 石 油 、 天然气为原料 , 从乙炔 、 碳化物起点 、 所走的路子仍 是老路子 。 几十年来的工作无 非对温度 、 压力 、 催化剂 、 新 合成 试剂诸方面作些改进探索 , 我们得到很多 , 但失去的 更多 。 而生物世界中所用合成路子完全不同 , 只需在缓和条件下#常温 常压就能通过 简单步骤合成生物活性物质 。 比如 , 合成核甘 , 由丙醛为原料 , 在 水溶液中 , 以二价铂 离子为催化剂 , 氧化铝或陶土为载体 , “干相加热” , 可以 一? _收得核普 。 当然 , 把碱基与核塘在4 士 或3 “ 存在下 , 以 问题 并不那 么简单 , 揭开生命世界的奥 秘是生物学 、 化学 、 命科学的辉煌时代 , 期 。 物理乃至数学各学科集团 军的协同作战 。 如果说 , 二十一世 纪是生 , 那 也必将带来化学 、 物理 、 以至整个自然科学共同繁荣的 强盛 时 主要参考文 献 , 20 李如生 。 李湘咬 。 、 ?2+ , ) /2 ( , 0/.2 , 6 ? %上 ,目 # #化学通报 , ? !9 , 9? 刘之名 分子科学与化学研究 ? !9 ; 9 9?