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沉靜下面的喧囂——分子的激烈運動

中國科普博覽
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形容一個女性美有許多詞匯,其中就有沉靜和含蓄。徐緩優(yōu)雅的姿態(tài),從容不迫的舉止,是中國古代女性美的重要特征之一。

也許你沒有想到,在安靜的美女的細(xì)胞里,卻完全是另一番景象。里面的分子紛擾和喧囂到難以置信的程度。要是美女能“看見”自己細(xì)胞內(nèi)分子的激烈運動,她自己也許會嚇一大跳。

我們都知道,人的體溫是37度。但這是攝氏37度,是在一個大氣壓下以水的冰點為零度和沸點為100度來定義的,所以只是一個相對值。要是說人的體溫是310度,那就有點嚇人了。但如果是從溫度的絕對度量上來看,人的體溫真的就是310度。

現(xiàn)在我們知道,溫度是微觀粒子運動程度的量度,包括分子的移動,旋轉(zhuǎn),和振動。溫度越高,分子運動越激烈。這些微觀粒子可以是分子,也可以是比分子大的顆粒如病毒,也可以是比分子小的基本粒子。

分子的熱運動隨著溫度降低而降低。到熱運動完全停止時,那時的溫度就是絕對零度,與物質(zhì)的種類無關(guān),所以是一個客觀的指標(biāo)。用這個零度為標(biāo)準(zhǔn)的溫標(biāo)叫絕對溫標(biāo),也叫克氏溫標(biāo),是以Kelvin(William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824-1907,英國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家)名字命名的。

相對于攝氏溫標(biāo),絕對零度就是攝氏零下273.16度。這是我們這個宇宙里(也許還有其它的宇宙)能夠到達(dá)的最低的溫度。有人聽見星球內(nèi)部的溫度可以高達(dá)幾十萬度,就用“零下一萬度”來形容有多冷,其實是不懂得冷的意義。

克氏溫標(biāo)的一度等同于攝氏溫標(biāo)的一度,那37度的攝氏體溫?fù)Q算成絕對溫標(biāo)就是310度。這才是分子運動程度的真正量度。

310度的絕對溫度是人的正常體溫,對人總體來說好像沒有什么,在分子水平可熱鬧了。因為分子很小,在這個溫度下它們的運動激烈到難以想象的程度。

比如在體溫下,水分子的運動速度高達(dá)每秒694米,比波音飛機(jī)的速度還快3倍以上。復(fù)雜一些的分子質(zhì)量也較大,而總的運動能量和小分子一樣,運動速度自然較慢。像葡萄糖的分子(分子量180)比水分子(分子量18)大10倍,它的運動速度就是每秒236米。但即使分子量100萬的蛋白分子,每秒鐘也能跑2.6米。在直徑10微米的人的肝細(xì)胞中,它一秒鐘能跑13萬個來回。頭都想暈了也想象不出它實際跑動的情形。當(dāng)然它不是真的這樣來回跑,而是和細(xì)胞里的其它分子以極高的頻率相互碰撞。

就是病毒,假如它的“分子量”是100億,也能每秒跑2.6厘米,也就是每秒能在細(xì)胞內(nèi)跑1300個來回,如果不被其它分子所阻攔的話。

所以在細(xì)胞內(nèi)部的分子水平,這位美女里面的情形看上去完全是另外一番景象,紛擾到難以想象的地步。什么優(yōu)雅,徐緩,沉靜,統(tǒng)統(tǒng)都不見了。

但正是這樣的亂糟糟,才使得這位美女成為美女。才使她外表的沉靜成為可能。也就是說,分子的這種激烈的運動正是生命存在的前提。沒有分子這樣快速的運動和碰撞,任何生命都不可能。

比如說,大腸桿菌在適宜的條件下,每20分鐘可以繁殖一代。在一個細(xì)胞分裂成兩個細(xì)胞之前,它的DNA必須要復(fù)制一份。大腸桿菌的DNA有4,639,221個堿基對。也就是大約四百六十萬堿基對。要在20分鐘里復(fù)制這個DNA,每秒鐘就要復(fù)制近4000個堿基對。就算DNA的復(fù)制是從一點開始,向兩個方向同時進(jìn)行的,那每秒鐘也要復(fù)制近2000個堿基對。

DNA是由四種不同的核苷酸線性相連組成的。要把不同的核苷酸按一定的順序加上去,就需要正確的核苷酸靠碰撞到達(dá)合成新DNA的地點。但是細(xì)胞里并沒有一個交通警察來指揮,每次只讓所需的核苷酸通過,而是四種核苷酸都有同樣的機(jī)會,隨機(jī)地亂碰。這樣每次只有四分之一的機(jī)會有合適的核苷酸到達(dá)。而且每次碰撞中,分子的方向也是隨機(jī)的,只有少數(shù)具有正確的方向。再加上細(xì)胞里的其它分子也在那里亂撞,干擾正確的核苷酸到達(dá)反應(yīng)位置。所以核苷酸必須以比每秒8000次高得多的頻率去碰撞,才能滿足大腸桿菌繁殖的需要。

蛋白的合成就更難了。與核酸只有四種構(gòu)造單位不同,蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸組成的。這20種氨基酸也是在那里隨機(jī)亂碰,所以正確的碰撞機(jī)會只有二十分之一,而且許多還是無效碰撞。因此蛋白合成的速度也相應(yīng)地較慢。在大腸桿菌中,每個核糖體(合成蛋白質(zhì)的分子團(tuán))每秒鐘只能加上18個氨基酸。要是分子運動再慢一些,生命活動就不能維持了。

當(dāng)然細(xì)胞也不是簡單的一包水溶液。不同分子的相互作用也會形成各種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),組成各種細(xì)胞器和細(xì)胞“骨骼”,把細(xì)胞分隔成許多區(qū)間。但細(xì)胞最主要,最基本的活動,即化學(xué)反應(yīng)和信息傳遞,都需要反應(yīng)物分子和信息分子的激烈運動。

所以就是最低等的生物,也需要克氏280度以上才能有效地生活和生長。這不僅是因為生命活動需要液體水的環(huán)境(克氏273度),也是因為它們需要分子的運動到達(dá)相當(dāng)激烈的程度才能滿足細(xì)胞內(nèi)生命活動的需要。

人作為高等生物,更需要克氏310度的溫度,才能維持各種復(fù)雜的生理活動的需要。因為溫度高了,分子運動和化學(xué)反應(yīng)的速率才能更快。比如人體一天需要大約2000大卡的能量才能維持身體的正常活動。我們身體內(nèi)各種需要能量的活動大多數(shù)是由“能量通貨”,三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate,簡稱ATP)來提供能量的。成人一天要分解大約60公斤,即相當(dāng)于我們體重的ATP,才能滿足身體的各項生理活動的需要。而人體內(nèi)ATP的總量也就50克左右,也就是每個ATP分子每天要被分解和再合成1000次以上。 沒有克式310度的體溫,就產(chǎn)生不了這么多的ATP。

神奇的是,細(xì)胞內(nèi)成千上萬種分子能在這樣的激烈運動和相互作用中,準(zhǔn)確地完成細(xì)胞的各種功能,并且對環(huán)境的變化做出精確的反應(yīng)。

從一個受精卵發(fā)育成一個完整的人,中間要經(jīng)過無數(shù)次的細(xì)胞分裂和分化,每次都需要分子這樣激烈的運動。但正是這種看似雜亂無序,紛擾喧囂的分子運動中,靠不同分子自身的特點,又完成了分子之間正確的相互作用,使得這個過程能夠精密地進(jìn)行。幾乎每個受精卵都能發(fā)育成完美的人體結(jié)構(gòu),就連不同手指的相對長度都控制得那么精確。從分子運動的激烈和無序來看,這真是一個奇跡,是地球上的生命所產(chǎn)生的奇跡。這是從混亂無序中產(chǎn)生高度有序的最好的例子。