从某些生物学现象认识物质间作用力

牟朝立

摘要：物理，作为一门能够解释万物运行规律的学科，生命的诞丝、消亡之间都蕴含着某种宏观的物理规律，一些常见的生物现象比如真核生物的分裂和增值等。生命的微观规律是否也联系着某种物理规律，它的规律是什么？物理的角度来看，这个问题值得思考。事实上，机体的各部分组成核酸、脂肪、蛋白质、脂肪等等，这些数以万计的微小分子成本身是不具有活性的，更没有生命特征。神奇的是当它们具有了某种特定顺序和空间结构，并且开始运动起来的时候，生命现象就在这个过程中诞生。显然，这些特定顺序、运动形式与物理学相关关。本文将尝试从自然界中的生物学现象进一步探究其中的物理联系，认识这种物质之间的彼此作用。

关键词：生物现象；物质作用；物理规律；

物质的组成本质是大量的原子、分子、离子等。mRNA由核糖核苷酸组成的遗传物质的一种。再微观一些也可以说mRNA是由碳、氢、氧、氮等元素组成的。在生物上进行生命活动，需要蛋白质翻译时，mRNA在过程中充当模板作用。并且提供自身的的密码子与负责转运的tRNA的反密码子相互结合，共同完成氨基酸的转运过程。这一种程序看似简单，不需要外在参与。但是仔细思考不禁疑惑，物质之间存在什么作用能够使其彼此之间形成这样精准的配对。上文中我们曾经提到mRNA的组成元素有碳、氢、氧、氮等等，所以mRNA属于一种大分子物质。作用过程中可能是mRNA提供的含氮碱基与tRNA上带有的含氮碱基之间产生了某种作用力，使他们彼此吸引。但是，负责物质转运的tRNA在细胞内位置不固定，一般是游离在细胞中的。可以猜想两种含氮碱基之间的作用具有特异的选择能力，否则这样复杂的生命活动很难在微观下体现出这样高度的有序性。如果能够对这些现象做出解释，我们对物质运行规律的探索即可以更进一步，获得新的发展。

一、物理学与生物体的关系

我们存在世界，是由各种各样的物质组成的世界。这个世界里，纷繁多样的物质存在其中，各自运动着，持续不断并且一直处在变化状态。生物的机体在进化，人类也在进化。对这些生存活动的研究、对其发展实践的研究最终演化成了不断发展的物理学。

物理学是古老的，但是在生活节奏不断加快的今天，物理学也变成了一门飞速发展的学科。那么物理学通常的研究对象是什么？

一般来说，物理学探索的是自然界中物质的运动形式，基本的、常见的各类运动，涉及做功能量变化的机械运动；物质扩散发展的分子热运动，速度提升便捷交通的电磁运动；甚至微观状态下原子在核内进行的运动等，都属于物理的研究范围。

不难理解许多人认为的，物理学研究的只是各种方式的运动，或是不同类型的运动，而这些对象都有一点相同之处，即都是无生命的物质。所以物理这一学科一般被人们误解为研究对象不包括有机物质，也不负责探究研究生物体的生长过程、或者常见的生命现象，往往这样的内容都被归类于生物学的科研范畴。显然样的观点是片面的理解产生的错觉。因为许多生理过程的进行本身就是物理范畴的过程。可以这样理解，如果物理学的理论没有应用于研究之中，生物体的生命现象没有办法做出合理解释。生命得以延续关键物质，遗传密码等信息也没有办法破译解读。所以不难看出物理学与生物体的成长、与生物内部进行的种种生理过程有着十分广泛密切的关联性。

也因此可以说，物理学研究的内容是十分丰富有趣的，它的研究对象物质运动是普遍存在的，不管是简单的还是复杂的结构，都离不开运动这一形式。而物理学中的重要理论分子运动、流体运动、牛顿定律都是用来描述运动的理论基础，不仅是宏观生物体之间的运动，也包含适用于某些微观的运动现象。

二、物理学帮助人们认知生命现象

物理学者大多认为生命现象的本质即是物质的不断运动，不论是生长发育还是代谢增殖，都可以归类为具有某种规律的运动。而具有规律性和一定顺序性的行为，通常在物理学中被描述为熵的变化。

熵是热力学中的一个概念，对于生物体的规律变化研究类比为熵的变化，既可以把宏观的系统理解为生物的机体，机体运动中的各种物质是系统中作为研究对象的微观粒子。生物学知识的学习让我们知道生物体的生长本质是细胞的不断分裂和增值，一代一代的细胞在遗传规律的约束下形成组织、器官，最终构成个体。所以生物体本身是一个严密有序的组织性系统，严格遵守着物理学的发展规律。生命活动的进行过程中，信息量的交换传递是巨大的，要度量他们需要一个量度，能够描述具有不确定性的物质从混乱无序状态向规律有序状态转变的过程，也因此把熵的概念运用到了生命现象研究之中。

三、以物理学知识描述生命现象

熵被用于描述生物现象，也遵循其物理原理。熵的一二定律描述的是绝热环境中物质状态变化引起熵的增加过程。封闭的隔热系统有外来能量流入，系统的总体能量就会增加，引起熵增，反之能量外流，系统总能量减少，则会造成熵减。把这种原理运用到生物机体生长代谢过程中，当系统总体处于完全沉寂状态，熵的值是最大的，此时机体是无生命状态。

以人的一生为例，人们由最初的婴儿一步一步经历成长衰老最终面临死亡，这是不可逆的自然规律，熵增即是这样一个过程。并且机体的设定是一个开放性的系统，要避免系统的衰退，维持体内平衡就需要从外界获得能量，并且通过运动等形式向外界传出热量，以保证自身热量的不变。清除自身正熵，吸取环境中的负熵，即为生命活动的热力学实质作用。

四、结语

事实上，生物的生命现象可以理解为抑制熵增来使机体活动性增强， 保持生物物质运动的有序性。因为生物体的机体本身即是高度有序的系统组织，所以依照有序的规律来安排集体活动，遵从合适的生活规律，对于延长机体发挥功能的时间无疑是十分有效的。科学技术的发展進步，人们的研究方向已经逐渐转向对人类本身健康状况的关注。对于生命的研究也诞生了非周期性的晶体学、量子领域的药理学和量子领域的病理学等等。这些学科的研究发展大多离不开物理知识，并且未来随着研究的深入还会有更多的物理概念产生渗入，用于解决不同组织不同范围内的问题。未来我们期待这样的发展，物理对于生物现象的研究成果能够用于作用于生物本身，取得更加长远有益的发展。

参考文献：

[1]张武高；邵波.浅探物理学与生命现象的联系.1983-03

[2]乔旭安.物理学与生命科学.2008-09