牟朝立
摘要:物理,作為一門能夠解釋萬物運(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?物理的角度來看,這個(gè)問題值得思考。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)以萬計(jì)的微小分子成本身是不具有活性的,更沒有生命特征。神奇的是當(dāng)它們具有了某種特定順序和空間結(jié)構(gòu),并且開始運(yùn)動(dòng)起來的時(shí)候,生命現(xiàn)象就在這個(gè)過程中誕生。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)過程。這一種程序看似簡單,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。上文中我們曾經(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。對這些生存活動(dòng)的研究、對其發(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)也變成了一門飛速發(fā)展的學(xué)科。那么物理學(xué)通常的研究對象是什么?
一般來說,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),而這些對象都有一點(diǎn)相同之處,即都是無生命的物質(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過程、或者常見的生命現(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。因?yàn)樵S多生理過程的進(jìn)行本身就是物理范疇的過程。可以這樣理解,如果物理學(xué)的理論沒有應(yīng)用于研究之中,生物體的生命現(xiàn)象沒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有辦法破譯解讀。所以不難看出物理學(xué)與生物體的成長、與生物內(nèi)部進(jìn)行的種種生理過程有著十分廣泛密切的關(guān)聯(lián)性。
也因此可以說,物理學(xué)研究的內(nèi)容是十分豐富有趣的,它的研究對象物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是普遍存在的,不管是簡單的還是復(fù)雜的結(jié)構(gòu),都離不開運(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)中作為研究對象的微觀粒子。生物學(xué)知識的學(xué)習(xí)讓我們知道生物體的生長本質(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)從混亂無序狀態(tài)向規(guī)律有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程,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程。封閉的隔熱系統(tǒng)有外來能量流入,系統(tǒng)的總體能量就會增加,引起熵增,反之能量外流,系統(tǒng)總能量減少,則會造成熵減。把這種原理運(yùn)用到生物機(jī)體生長代謝過程中,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)過程。并且機(jī)體的設(shè)定是一個(gè)開放性的系統(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
事實(shí)上,生物的生命現(xiàn)象可以理解為抑制熵增來使機(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)律來安排集體活動(dòng),遵從合適的生活規(guī)律,對于延長機(jī)體發(fā)揮功能的時(shí)間無疑是十分有效的??茖W(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)展大多離不開物理知識,并且未來隨著研究的深入還會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)的問題。未來我們期待這樣的發(fā)展,物理對于生物現(xiàn)象的研究成果能夠用于作用于生物本身,取得更加長遠(yuǎn)有益的發(fā)展。
參考文獻(xiàn):
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