從某些生物學現象認識物質間作用力

牟朝立

摘要：物理，作為一門能夠解釋萬物運行規律的學科，生命的誕絲、消亡之間都蘊含著某種宏觀的物理規律，一些常見的生物現象比如真核生物的分裂和增值等。生命的微觀規律是否也聯系著某種物理規律，它的規律是什么？物理的角度來看，這個問題值得思考。事實上，機體的各部分組成核酸、脂肪、蛋白質、脂肪等等，這些數以萬計的微小分子成本身是不具有活性的，更沒有生命特征。神奇的是當它們具有了某種特定順序和空間結構，并且開始運動起來的時候，生命現象就在這個過程中誕生。顯然，這些特定順序、運動形式與物理學相關關。本文將嘗試從自然界中的生物學現象進一步探究其中的物理聯系，認識這種物質之間的彼此作用。

關鍵詞：生物現象；物質作用；物理規律；

物質的組成本質是大量的原子、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。在生物上進行生命活動，需要蛋白質翻譯時，mRNA在過程中充當模板作用。并且提供自身的的密碼子與負責轉運的tRNA的反密碼子相互結合，共同完成氨基酸的轉運過程。這一種程序看似簡單，不需要外在參與。但是仔細思考不禁疑惑，物質之間存在什么作用能夠使其彼此之間形成這樣精準的配對。上文中我們曾經提到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。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生了某種作用力，使他們彼此吸引。但是，負責物質轉運的tRNA在細胞內位置不固定，一般是游離在細胞中的?？梢圆孪雰煞N含氮堿基之間的作用具有特異的選擇能力，否則這樣復雜的生命活動很難在微觀下體現出這樣高度的有序性。如果能夠對這些現象做出解釋，我們對物質運行規律的探索即可以更進一步，獲得新的發展。

一、物理學與生物體的關系

我們存在世界，是由各種各樣的物質組成的世界。這個世界里，紛繁多樣的物質存在其中，各自運動著，持續不斷并且一直處在變化狀態。生物的機體在進化，人類也在進化。對這些生存活動的研究、對其發展實踐的研究最終演化成了不斷發展的物理學。

物理學是古老的，但是在生活節奏不斷加快的今天，物理學也變成了一門飛速發展的學科。那么物理學通常的研究對象是什么？

一般來說，物理學探索的是自然界中物質的運動形式，基本的、常見的各類運動，涉及做功能量變化的機械運動；物質擴散發展的分子熱運動，速度提升便捷交通的電磁運動；甚至微觀狀態下原子在核內進行的運動等，都屬于物理的研究范圍。

不難理解許多人認為的，物理學研究的只是各種方式的運動，或是不同類型的運動，而這些對象都有一點相同之處，即都是無生命的物質。所以物理這一學科一般被人們誤解為研究對象不包括有機物質，也不負責探究研究生物體的生長過程、或者常見的生命現象，往往這樣的內容都被歸類于生物學的科研范疇。顯然樣的觀點是片面的理解產生的錯覺。因為許多生理過程的進行本身就是物理范疇的過程?？梢赃@樣理解，如果物理學的理論沒有應用于研究之中，生物體的生命現象沒有辦法做出合理解釋。生命得以延續關鍵物質，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與生物體的成長、與生物內部進行的種種生理過程有著十分廣泛密切的關聯性。

也因此可以說，物理學研究的內容是十分豐富有趣的，它的研究對象物質運動是普遍存在的，不管是簡單的還是復雜的結構，都離不開運動這一形式。而物理學中的重要理論分子運動、流體運動、牛頓定律都是用來描述運動的理論基礎，不僅是宏觀生物體之間的運動，也包含適用于某些微觀的運動現象。

二、物理學幫助人們認知生命現象

物理學者大多認為生命現象的本質即是物質的不斷運動，不論是生長發育還是代謝增殖，都可以歸類為具有某種規律的運動。而具有規律性和一定順序性的行為，通常在物理學中被描述為熵的變化。

熵是熱力學中的一個概念，對于生物體的規律變化研究類比為熵的變化，既可以把宏觀的系統理解為生物的機體，機體運動中的各種物質是系統中作為研究對象的微觀粒子。生物學知識的學習讓我們知道生物體的生長本質是細胞的不斷分裂和增值，一代一代的細胞在遺傳規律的約束下形成組織、器官，最終構成個體。所以生物體本身是一個嚴密有序的組織性系統，嚴格遵守著物理學的發展規律。生命活動的進行過程中，信息量的交換傳遞是巨大的，要度量他們需要一個量度，能夠描述具有不確定性的物質從混亂無序狀態向規律有序狀態轉變的過程，也因此把熵的概念運用到了生命現象研究之中。

三、以物理學知識描述生命現象

熵被用于描述生物現象，也遵循其物理原理。熵的一二定律描述的是絕熱環境中物質狀態變化引起熵的增加過程。封閉的隔熱系統有外來能量流入，系統的總體能量就會增加，引起熵增，反之能量外流，系統總能量減少，則會造成熵減。把這種原理運用到生物機體生長代謝過程中，當系統總體處于完全沉寂狀態，熵的值是最大的，此時機體是無生命狀態。

以人的一生為例，人們由最初的嬰兒一步一步經歷成長衰老最終面臨死亡，這是不可逆的自然規律，熵增即是這樣一個過程。并且機體的設定是一個開放性的系統，要避免系統的衰退，維持體內平衡就需要從外界獲得能量，并且通過運動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，吸取環境中的負熵，即為生命活動的熱力學實質作用。

四、結語

事實上，生物的生命現象可以理解為抑制熵增來使機體活動性增強， 保持生物物質運動的有序性。因為生物體的機體本身即是高度有序的系統組織，所以依照有序的規律來安排集體活動，遵從合適的生活規律，對于延長機體發揮功能的時間無疑是十分有效的。科學技術的發展進步，人們的研究方向已經逐漸轉向對人類本身健康狀況的關注。對于生命的研究也誕生了非周期性的晶體學、量子領域的藥理學和量子領域的病理學等等。這些學科的研究發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生滲入，用于解決不同組織不同范圍內的問題。未來我們期待這樣的發展，物理對于生物現象的研究成果能夠用于作用于生物本身，取得更加長遠有益的發展。

參考文獻：

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[2]喬旭安.物理學與生命科學.2008-09