從某些生物學(xué)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)物質(zhì)間作用力

牟朝立

摘要：物理，作為一門(mén)能夠解釋萬(wàn)物運(yùn)行規(guī)律的學(xué)科，生命的誕絲、消亡之間都蘊(yùn)含著某種宏觀的物理規(guī)律，一些常見(jiàn)的生物現(xiàn)象比如真核生物的分裂和增值等。生命的微觀規(guī)律是否也聯(lián)系著某種物理規(guī)律，它的規(guī)律是什么？物理的角度來(lái)看，這個(gè)問(wèn)題值得思考。事實(shí)上，機(jī)體的各部分組成核酸、脂肪、蛋白質(zhì)、脂肪等等，這些數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小分子成本身是不具有活性的，更沒(méi)有生命特征。神奇的是當(dāng)它們具有了某種特定順序和空間結(jié)構(gòu)，并且開(kāi)始運(yùn)動(dòng)起來(lái)的時(shí)候，生命現(xiàn)象就在這個(gè)過(guò)程中誕生。顯然，這些特定順序、運(yùn)動(dòng)形式與物理學(xué)相關(guān)關(guān)。本文將嘗試從自然界中的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)一步探究其中的物理聯(lián)系，認(rèn)識(shí)這種物質(zhì)之間的彼此作用。

關(guān)鍵詞：生物現(xiàn)象；物質(zhì)作用；物理規(guī)律；

物質(zhì)的組成本質(zhì)是大量的原子、分子、離子等。mRNA由核糖核苷酸組成的遺傳物質(zhì)的一種。再微觀一些也可以說(shuō)mRNA是由碳、氫、氧、氮等元素組成的。在生物上進(jìn)行生命活動(dòng)，需要蛋白質(zhì)翻譯時(shí)，mRNA在過(guò)程中充當(dāng)模板作用。并且提供自身的的密碼子與負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)的tRNA的反密碼子相互結(jié)合，共同完成氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。這一種程序看似簡(jiǎn)單，不需要外在參與。但是仔細(xì)思考不禁疑惑，物質(zhì)之間存在什么作用能夠使其彼此之間形成這樣精準(zhǔn)的配對(duì)。上文中我們?cè)?jīng)提到mRNA的組成元素有碳、氫、氧、氮等等，所以mRNA屬于一種大分子物質(zhì)。作用過(guò)程中可能是mRNA提供的含氮堿基與tRNA上帶有的含氮堿基之間產(chǎn)生了某種作用力，使他們彼此吸引。但是，負(fù)責(zé)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的tRNA在細(xì)胞內(nèi)位置不固定，一般是游離在細(xì)胞中的?？梢圆孪雰煞N含氮堿基之間的作用具有特異的選擇能力，否則這樣復(fù)雜的生命活動(dòng)很難在微觀下體現(xiàn)出這樣高度的有序性。如果能夠?qū)@些現(xiàn)象做出解釋，我們對(duì)物質(zhì)運(yùn)行規(guī)律的探索即可以更進(jìn)一步，獲得新的發(fā)展。

一、物理學(xué)與生物體的關(guān)系

我們存在世界，是由各種各樣的物質(zhì)組成的世界。這個(gè)世界里，紛繁多樣的物質(zhì)存在其中，各自運(yùn)動(dòng)著，持續(xù)不斷并且一直處在變化狀態(tài)。生物的機(jī)體在進(jìn)化，人類也在進(jìn)化。對(duì)這些生存活動(dòng)的研究、對(duì)其發(fā)展實(shí)踐的研究最終演化成了不斷發(fā)展的物理學(xué)。

物理學(xué)是古老的，但是在生活節(jié)奏不斷加快的今天，物理學(xué)也變成了一門(mén)飛速發(fā)展的學(xué)科。那么物理學(xué)通常的研究對(duì)象是什么？

一般來(lái)說(shuō)，物理學(xué)探索的是自然界中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式，基本的、常見(jiàn)的各類運(yùn)動(dòng)，涉及做功能量變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；物質(zhì)擴(kuò)散發(fā)展的分子熱運(yùn)動(dòng)，速度提升便捷交通的電磁運(yùn)動(dòng)；甚至微觀狀態(tài)下原子在核內(nèi)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)等，都屬于物理的研究范圍。

不難理解許多人認(rèn)為的，物理學(xué)研究的只是各種方式的運(yùn)動(dòng)，或是不同類型的運(yùn)動(dòng)，而這些對(duì)象都有一點(diǎn)相同之處，即都是無(wú)生命的物質(zhì)。所以物理這一學(xué)科一般被人們誤解為研究對(duì)象不包括有機(jī)物質(zhì)，也不負(fù)責(zé)探究研究生物體的生長(zhǎng)過(guò)程、或者常見(jiàn)的生命現(xiàn)象，往往這樣的內(nèi)容都被歸類于生物學(xué)的科研范疇。顯然樣的觀點(diǎn)是片面的理解產(chǎn)生的錯(cuò)覺(jué)。因?yàn)樵S多生理過(guò)程的進(jìn)行本身就是物理范疇的過(guò)程。可以這樣理解，如果物理學(xué)的理論沒(méi)有應(yīng)用于研究之中，生物體的生命現(xiàn)象沒(méi)有辦法做出合理解釋。生命得以延續(xù)關(guān)鍵物質(zhì)，遺傳密碼等信息也沒(méi)有辦法破譯解讀。所以不難看出物理學(xué)與生物體的成長(zhǎng)、與生物內(nèi)部進(jìn)行的種種生理過(guò)程有著十分廣泛密切的關(guān)聯(lián)性。

也因此可以說(shuō)，物理學(xué)研究的內(nèi)容是十分豐富有趣的，它的研究對(duì)象物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是普遍存在的，不管是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，都離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)這一形式。而物理學(xué)中的重要理論分子運(yùn)動(dòng)、流體運(yùn)動(dòng)、牛頓定律都是用來(lái)描述運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)，不僅是宏觀生物體之間的運(yùn)動(dòng)，也包含適用于某些微觀的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

二、物理學(xué)幫助人們認(rèn)知生命現(xiàn)象

物理學(xué)者大多認(rèn)為生命現(xiàn)象的本質(zhì)即是物質(zhì)的不斷運(yùn)動(dòng)，不論是生長(zhǎng)發(fā)育還是代謝增殖，都可以歸類為具有某種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。而具有規(guī)律性和一定順序性的行為，通常在物理學(xué)中被描述為熵的變化。

熵是熱力學(xué)中的一個(gè)概念，對(duì)于生物體的規(guī)律變化研究類比為熵的變化，既可以把宏觀的系統(tǒng)理解為生物的機(jī)體，機(jī)體運(yùn)動(dòng)中的各種物質(zhì)是系統(tǒng)中作為研究對(duì)象的微觀粒子。生物學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)讓我們知道生物體的生長(zhǎng)本質(zhì)是細(xì)胞的不斷分裂和增值，一代一代的細(xì)胞在遺傳規(guī)律的約束下形成組織、器官，最終構(gòu)成個(gè)體。所以生物體本身是一個(gè)嚴(yán)密有序的組織性系統(tǒng)，嚴(yán)格遵守著物理學(xué)的發(fā)展規(guī)律。生命活動(dòng)的進(jìn)行過(guò)程中，信息量的交換傳遞是巨大的，要度量他們需要一個(gè)量度，能夠描述具有不確定性的物質(zhì)從混亂無(wú)序狀態(tài)向規(guī)律有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，也因此把熵的概念運(yùn)用到了生命現(xiàn)象研究之中。

三、以物理學(xué)知識(shí)描述生命現(xiàn)象

熵被用于描述生物現(xiàn)象，也遵循其物理原理。熵的一二定律描述的是絕熱環(huán)境中物質(zhì)狀態(tài)變化引起熵的增加過(guò)程。封閉的隔熱系統(tǒng)有外來(lái)能量流入，系統(tǒng)的總體能量就會(huì)增加，引起熵增，反之能量外流，系統(tǒng)總能量減少，則會(huì)造成熵減。把這種原理運(yùn)用到生物機(jī)體生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)總體處于完全沉寂狀態(tài)，熵的值是最大的，此時(shí)機(jī)體是無(wú)生命狀態(tài)。

以人的一生為例，人們由最初的嬰兒一步一步經(jīng)歷成長(zhǎng)衰老最終面臨死亡，這是不可逆的自然規(guī)律，熵增即是這樣一個(gè)過(guò)程。并且機(jī)體的設(shè)定是一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)，要避免系統(tǒng)的衰退，維持體內(nèi)平衡就需要從外界獲得能量，并且通過(guò)運(yùn)動(dòng)等形式向外界傳出熱量，以保證自身熱量的不變。清除自身正熵，吸取環(huán)境中的負(fù)熵，即為生命活動(dòng)的熱力學(xué)實(shí)質(zhì)作用。

四、結(jié)語(yǔ)

事實(shí)上，生物的生命現(xiàn)象可以理解為抑制熵增來(lái)使機(jī)體活動(dòng)性增強(qiáng)， 保持生物物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的有序性。因?yàn)樯矬w的機(jī)體本身即是高度有序的系統(tǒng)組織，所以依照有序的規(guī)律來(lái)安排集體活動(dòng)，遵從合適的生活規(guī)律，對(duì)于延長(zhǎng)機(jī)體發(fā)揮功能的時(shí)間無(wú)疑是十分有效的。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，人們的研究方向已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)θ祟惐旧斫】禒顩r的關(guān)注。對(duì)于生命的研究也誕生了非周期性的晶體學(xué)、量子領(lǐng)域的藥理學(xué)和量子領(lǐng)域的病理學(xué)等等。這些學(xué)科的研究發(fā)展大多離不開(kāi)物理知識(shí)，并且未來(lái)隨著研究的深入還會(huì)有更多的物理概念產(chǎn)生滲入，用于解決不同組織不同范圍內(nèi)的問(wèn)題。未來(lái)我們期待這樣的發(fā)展，物理對(duì)于生物現(xiàn)象的研究成果能夠用于作用于生物本身，取得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)有益的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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