首页
/
每日頭條
/
圖文
/
物理中的分子和原子
物理中的分子和原子
更新时间:2025-07-15 04:12:55

出品:科普中國

制作:中國科學院昆明植物研究所 林麗莎

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

從物理分子到生物分子

《生命是什麼》是出自物理學家薛定谔的經典之作,于1944年出版,影響了後來的DNA結構解析和現代分子生物學發展,被譽為分子生物領域的“湯姆叔叔的小屋”,後者對後來的黑奴解放運動産生了深遠影響。

薛定谔在書中提到有趣的現象,比較了物理和生物意義上的分子,并對生命的奇妙驚歎不已。物理學的定律是以原子統計力學為根據的,例如,當一滴墨水進入一杯純水,我們看到的擴散現象是數量衆多“墨原子”的行為運動的平均化表現;當揭開一鍋沸水的鍋蓋時鋪面而來的水蒸氣也是無數“水分子”的集體表現。當然我們是看不見也感受不到分子的,但假設我們的肉眼能靈敏到足以看清楚一個分子的運動,那它将是上蹦下跳毫無章法的,研究沒有規律可循的單個分子似乎沒有意義。

物理中的分子和原子(從物理分子到生物分子)1

布朗運動示意圖,受水分子的撞擊的分子做無規則運動(圖片來自網絡)

然而在生命科學領域,分子水平的研究可是熱火朝天,有科學家認為,将過去半個多世紀生命科學的主要進展概括起來就是:生命過程可以在分子水平上得到解釋。我們體内具有多種信号通路,每個環節都是有序、受控地發揮作用,調控和維持着生命體的穩态。一個信号分子可能通過信号通路的一系列相互作用産生放大的、不可忽視的效果;一個基因的微小改變可能引起嚴重的功能異常,産生各種疾病。

鐮刀形紅細胞貧血症是一種典型的點突變引起的遺傳病,僅僅是編碼血紅蛋白的基因上的一個堿基的改變,就使得編碼産物異常----血紅蛋白β鍊的第6位谷氨酸被缬氨酸所代替,從而引起了紅細胞的變形、功能異常。

物理中的分子和原子(從物理分子到生物分子)2

正常紅細胞(左)和鐮刀形的異常紅細胞(右) (圖片來自網絡)

疾病的發病機制是什麼?從現象到本質,從個體、系統、器官、組織、細胞再到分子和原子,這種刨根問底式的追問不可避免地把科學研究帶入還原論(當然這種方法是必要不充分的),現代分子生物學應運而生,物理化學技術手段的發展也日新月異。

現代生物學實驗室擺放着各種各樣的大小型儀器,科學家通過檢測各種替代指标或标記來研究看不見的DNA和蛋白質等分子,如檢測某物質的特殊官能團在某個波長處的紫外吸光度、放射性同位素标記的目标物的放射性、熒光分子标記的目标物的熒光等等,這是一個把不可能變成可能的過程。

如何看見分子的顯微世界?

科學家和大衆相似的一點可能是,大家都認為最直觀的莫過于“眼見為實”。但是肉眼分辨率一般隻有0.2毫米(mm),意味着當兩個點的距離小于0.2毫米,一般人眼就無法分開(看清),把它們默認為一個點了,而分子的大小一般小于1納米 (nm),1納米為一百萬分之一毫米,需要被放大100 000倍才能被我們看見。

物理中的分子和原子(從物理分子到生物分子)3

微觀世界各物質的大小尺度(圖片來自網絡)

怎樣才能看清楚分子?我們要解決眼睛觀看能力的問題,但眼睛的結構不容易也沒必要改造(請相信,我們的眼睛設計已經是精巧絕妙恰到好處了,設想看到皮膚上遍布的細菌多麼令人不安,更甚者當眼睛具有超強分辨率連空氣分子都能看到,那就“分子障目不見泰山”,許許多多幹擾将使眼睛失去目标,看見了一切反而什麼都沒看見)。

所以,我們的眼睛需要一個工具,以滿足研究需要,在生物物理學家施展拳腳的大舞台裡,顯微鏡不斷地升級,華麗變身。

自從17世紀人們發明顯微鏡,生物醫學取得了巨大進步,尤其在感染性疾病方面找到相應的緻病原----細菌等微生物。光學顯微鏡和我們的眼睛一樣以可見光為光源(看的介質),通過它我們能觀察原本無法看見的細胞,但普通光學顯微鏡的最佳分辨率為200納米,距離分辨生物大分子還差好幾百倍呢。這不是因為我們的技術不夠好、儀器不夠精密,而是光學顯微鏡本身“看”的機制所決定的,當所有可能的改進我們都做了,分辨率最終取決于光波的波長,這是光學顯微鏡自身屬性的限制,無法改變(若改變了就是另一種顯微鏡了)。由于波長越短,分辨率就越高,後來人們利用紫外光、X射線、電子束等波長更短的介質作為光源開發了具有更高分辨率的觀看工具。

物理中的分子和原子(從物理分子到生物分子)4

光譜及其波長(圖片來自網絡)

由于具有更短波長,電子顯微鏡的分辨率可達到0.2納米,約為普通光學顯微鏡的1000倍,但是電子束可能損傷樣品結構,對儀器構造和樣品制備的要求也很高,這限制了它的使用,因此各種顯微鏡是各具特點和長處的。

另一方面,通過降低溫度減少分子的無規則熱運動,也能達到清晰觀測的目的,例如,制備成分子排列整齊規則的晶體,有助于獲取規則結構的圖像,伽莫夫的“給分子拍照”的漫畫形象地說明了這一點(下圖)。

物理中的分子和原子(從物理分子到生物分子)5

溫度對晶體成像觀察的影響(A絕對溫度,B室溫,C熔點)(《從一到無窮大》)

幾個世紀過去了,一直到2017年,諾貝爾化學獎頒發給3位生物物理學家,以表彰他們對冷凍電鏡研發的貢獻。以前我們隻能利用電子顯微鏡觀看死亡的物質/分子(強大的電子束具有殺傷力),而他們改變了這個困局,使人類能在一定條件下看到天然狀态下的生物大分子,甚至精細到原子分辨率!

随着顯微鏡技術的發展,越來越多生物大分子的結構被精确解析,這些基礎研究成果将會為進一步應用(尤其是臨床應用)做鋪墊,未來生命科學走向何方,讓我們拭目以待。

參考書目

1. G.伽莫夫:《從一到無窮大》,科學出版社,2002;

2. 埃爾溫•薛定谔:《生命物理學講義》,北京聯合出版公司,2017;

3. 翟中和,王喜忠,丁明孝:《細胞生物學》,第四版,高等教育出版社,2011;

4. 菲利普•鮑爾:《分子》,譯林出版社,2017;

物理中的分子和原子(從物理分子到生物分子)6

“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品,轉載請注明出處。

,
Comments
Welcome to tft每日頭條 comments! Please keep conversations courteous and on-topic. To fosterproductive and respectful conversations, you may see comments from our Community Managers.
Sign up to post
Sort by
Show More Comments
推荐阅读
發财樹怎樣養就養得高大
發财樹怎樣養就養得高大
歡迎來到“平哥愛花卉”,這裡每天分享養花小方法、小技巧,喜歡養花的朋友們可不要錯過,願我們在養花的道路上快樂同行,打造自己的溫馨小花園。文:平哥愛花卉說到養花,發财樹花友們都不陌生,它是一種多年生常綠灌木植物,株型高大,葉片翠綠,姿态挺拔,...
2025-07-15
敬業意思是什麼
敬業意思是什麼
唐山頭條#學生們在家裡網課這麼久了,難道老師們就不能在釘釘使用上下點功夫麼?使用上也不難,再說,已經這麼久了,還有這麼低級問題出現英語老師用手機豎屏,在電腦上也隻顯示一點點。音樂老師幹脆是黑屏,隻有聲音。孩子上音樂課,盯着黑屏告訴我,爸爸,...
2025-07-15
最後卡卡西有兩隻寫輪眼了嗎
最後卡卡西有兩隻寫輪眼了嗎
動漫火影忍者中,第七班是整部動漫的主角,而在動漫之中,卡卡西作為第七班的導師,對于第七班的成員來說是非常重要的成員,而卡卡西在忍者世界中也有着自己的稱号,那就是寫輪眼卡卡西,但是在忍界大戰之中,卡卡西失去了這隻寫輪眼,寫輪眼卡卡西也消失了。...
2025-07-15
十大良心國貨護膚品
十大良心國貨護膚品
哈喽大家好!雙11終于到來了,各位小夥伴們的購物車是不是塞滿了各式各物品?雖然知道雙11是商家的促銷手段,但該買的還是要買,誰叫它們确實是便宜了一點點呢?今天不聊别的,隻聊一些超高性價比的國貨護膚品,真的是買了還想再買,趁便宜的時候趕緊囤一...
2025-07-15
地暖和暖氣片哪個合适
地暖和暖氣片哪個合适
地暖和暖氣片從施工造價方面來說,暖氣片會比地暖便宜劃算一點;後期使用費用比較來說,在正确的使用方式下,能耗相差不了多少,與它們的實際使用方式有直接關系,我接下來就來說說它們的情況。一、初期造價的比較這方面的比較,很多人都認為暖氣片要比地暖便...
2025-07-15
Copyright 2023-2025 - www.tftnews.com All Rights Reserved