煮不熟的鸡蛋清

郭昊天

如果物质系统有着一种均匀的物理化学性质，我们就称之为这个系统的一种相态。人教版初二《物理》会讲到自然界中存在的物质三态——固态、液态、气态。温暖的春天，冰雪熔化成水；寒冷的冬天，湖水凝固成冰；凉爽的清晨，空气中的水蒸气在花草上液化成露珠；炎热的午后，湿衣服上的水珠很快就汽化成水蒸气飞走了，这是水在固、液、气三相之间的相互转化，也就是水的相变。

去油污的物理学—油水分离相和表面活性剂

相变的过程无处不在，从厨房中取材，就可以观察：

首先在玻璃杯里加一些水，再倒些食物油，你尽可以像个调酒师，把油和水混合均匀，但是只需将你的“鸡尾酒”静置片刻，它仍然会发生上油下水的分层，这就是水油二相的相分离，也是相变的一种。像食用油的油相物质就是喜欢和水分离而不愿意混合在水中，所以附着了油垢的锅碗、衣物，很难被水冲洗干净。不过只要加上一些洗洁精，问题就迎刃而解了。原理说来也简单，洗洁精是一些小的有机两性分子，一端可以结合油（疏水性），一端可以结合水（亲水性），这样，他们就可以包裹起油滴避免和水接触，使得油以小液滴的形式稳定于水中。类似的两性分子我们统称为表面活性剂。

既像油又亲水—生物大分子的两种相

生命是由许许多多的大分子构成的，比如DNA、RNA和蛋白质。这些分子虽然大，也逃不脱物理和化学规律的制约。比如蛋白质本身就是一种两性分子，很多蛋白质表面分布大量的亲水基团，而在内部则有大量疏水的氨基酸，像一个被洗洁精包裹的油滴一样，能非常稳定地溶解在细胞内丰富的水环境中。

那么大分子还有没有别的相呢？可以想象，蛋白质也可以通过疏水的氨基酸相互结合，聚集成团，产生一个个更大的“蛋白滴”，和水之间产生相分离。如果结合力再强一些呢？这些蛋白质的聚积物就会像一个固体一样，水泼不进，蛋白质也别想出得来。煮鸡蛋，就是这样一个让液态的蛋清、蛋黄变成固态的过程，加热使得蛋白质更容易失去正确的折叠方式而暴露出疏水的氨基酸，从而诱发了蛋白质聚积。

除了加热，错误的蛋白质也会引起蛋白质聚积，最终导致细胞病变死亡，如大名鼎鼎的疯牛病、镰刀型贫血病都是如此。仅仅细胞内的蛋白质太浓了也可能会发生相分离。像线虫受精卵的一端就会富集大量的蛋白质和RNA，他们复合形成的小液滴称为P-颗粒（P granules），而越靠近另一端，蛋白质和RNA的量越少，P-顆粒也就消失了。利用这个小技巧，线虫在未来的发育过程中就可以清晰地知道自己的头尾方向。

不仅仅是“钱”—ATP的新功能

蛋白质溶解在水里，似乎也不是那么一个理所当然的事情。很多细胞里有着大量的蛋白质，非常拥挤，它们是怎么保持稳定地溶解而不聚集成团呢？长期以来，这都是一个难以解释的问题，不过就在近几年，科学家们可能找到了一个出人意料的答案：

故事要从一个叫作ATP的小分子说起，它的中文名是三磷酸腺苷。这个小分子是细胞新陈代谢中传递能量的“分子通货”。如果把化学物质的能量比作财富，ATP就是流通的钱。不难想象，细胞中时刻都会有着一定量的ATP正在流动，从而保证每个耗能的化学反应都有“钱”可用。但是在细胞中的ATP含量，其实比实际所需的还要高近100倍之多，这是为什么呢？现在我们知道，原来ATP除了传递能量之外，还有别的重要的功能—ATP也是一种像洗洁精一样的两性分子，它们能帮助蛋白质更稳定地溶解在水环境中。

动手做个实验吧

有一个非常有趣也非常简单的实验可以验证ATP的作用，你在厨房就可以在家长的协助下完成：

你需要一点鸡蛋清和一些药房可以买得到的三磷酸腺苷二钠片（也就是盐形式的ATP），以及两口一模一样的锅。

一口锅煮鸡蛋清，科学上我们把这个叫作对照组。换一个一模一样的锅，使用相同的火力，煮鸡蛋清和ATP的混合物，这就是实验组啦。煮相同的时间，你会观察到，对照组很快就煮熟了，而实验组能保持很久的液体状态。

这说明ATP可以很好地避免凝固的过程从而使蛋白质溶解在水中，使得鸡蛋清很难被“煮熟”。

除了相变之外，越来越多在物理和化学中研究过的现象和理论，如今被用于理解更为复杂的生物系统。多个学科之间的合作交叉也逐渐地成为时下一种更有效、更有趣的研究模式。有许多生物中的相变机制还亟待我们发现，也有更多生命中有趣的物理化学现象需要多种学科背景的科学家一起来研究阐释。