![液晶生物学：一个新兴的跨学科[*]_结构生物学论文](https://www.lw33.cn/thumb/2f57f0a95a82e526bf00db6f.webp)
液晶生物学——正在崛起的交叉学科[*]，本文主要内容关键词为：生物学论文,学科论文,液晶论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
摘要：1888年，奥地利植物学家Reinitzer制备了一种胆固醇酯（胆甾醇苯酸脂），在测定其物理性质时发现一种奇特的现象——具有两个“熔点”。稍后的研究者报道，胆甾醇苯酸脂有四种物理状态，气态、液态、固态和一种介于液态、固态间的状态——液晶态。物质第四态——液晶态的发现即与生物学结下不解之缘。1979年，美国肯特大学的G.H.Brown博士出版了《Liquid Crystals And Biological Structurs》，首次将液晶态的概念正式引入到生物学领域。液晶的物理性质表明，它是一种极适于生命特征的状态，无论从解剖学、组织学、细胞学还是当今分子生物学和发育生物学的研究水平上均有液晶态现象表现。液晶生物学为人类认识生命的本质、研究细胞的起源、明确病毒的进化地位提供了一个新的思考角度。从液晶态的不同物理状态存在于生物体各个时期、各个研究水平的事实提示我们，仅以物理学科的思想和方法看作是普适的科学范式是不全面的，现代生物学逐渐形成了自己的科学范式，但一种范式是不可能完全被另一种范式所取代，多元化科学哲学的观点是最具科学性的。
关键词：液晶生物学 细胞起源 物质第四态与生物体 科学哲学范式
一、物质第四态——液晶态的发现即与生物学结下不解之缘
1979年，美国Kent大学的G.H.Brown博士出版了《Liquid Crystals And Biological Structuers》，首次将介与晶态和液态之间的第四态——液晶态概念系统引入到生物学领域，从而创立了液晶生物学这一充分体现现代科学发展趋势的交叉学科。所谓液晶态，就是一种介于固态（晶体）和液态（液体）之间的一种物质状态，它既像液体那样可以流动，又像晶体那样分子间距确定的有序性质，只是分子间各原子的排列有序程度不及晶体那么高。它是物质分子既不像液体那样完全无序、又不像晶体那样完全有序的，具有晶体般光学活性和液体般倒泼性的，介于晶体和液体之间的一种物质状态。
从液晶态研究史上看，它与生物学就有不解之缘[（1）]。1854年，生物学家Virchow描述了髓磷脂在水溶液中的结构，现在我们已经知道这是一种脂类—水系统的液晶态行为。这是世界上有关液晶态的首次报道。若干年后，奥地利植物学家Reinitzer制备了一种胆固醇酯（胆甾醇苯酸脂），在测定其物理性质时发现一种奇特的物理性质。此物质不同于一般的物质，它具有两个“熔点”。将物质加热到145.5℃时，固体溶化形成一种“浑浊且不透明的液体”，继续加热至178.5℃时，此“液体”由浑浊状态转变成透明的类似于一般液体的状态。1888年，Reinitzer在《化学文献》上报道，胆甾醇苯酸脂在上述实验过程中，具有三个明显的相态段，也就是固态、液态和“浑浊、不透明”的、介于此两相之间的液晶态（liquid crystal）。非常有趣的是生物学家冲破了当时认为物质有三态气—液—固的这一物理学常识性的知识，宣布发现物质有四态，即气态—液态—液晶态—固态。
当时，此现象引起了物理学家的极大兴趣。一批物理学家进入了这一崭新的研究领域对液晶态的物理及化学性质进行了大量的研究，认为“液晶态”是一种容易引起误解的词汇，提出以“中间型（mesomorphous）”或“仲晶（paracrystal）”或“各向异性液体（anisotropic liquid）”代替，但此时，这一物质状态的命名早已被广泛的接受，至今为止，液晶仍然是最常用的描述这些化合物的专业词。Lehmann在对一大批有机化合物进行了系统的研究之后，发现其中许多种都显示出与胆甾醇苯酸脂相类似的性质，1922年提出液晶所表现出来的这些性质可能与生命状态所表现的性质有许多类似的地方[（2）]。
二、液晶特性——一种极适于生命特征的性质
物理学家、化学家和生物学家很早就已经认识到活细胞具有与液晶相似的特性。1933年，法拉第学会会议期间就提出了生物结构的液晶性质问题。1950年，J.Needham明确提出，“在思考生物学现象时，似乎迄今最易被人忽视的分子图像，在液晶中可以看到”。1965年，在kent州立大学举行的第一届国际液晶会议时，液晶与生物结构就成了一个重要的讨论课题。可以说，液晶的结构和特性与生命结构和特性的相似性，从液晶发现之日起，就已经成为液晶研究领域引人注目的方向。
液晶最明显、也是最独特的性质就是对外界的影响极为灵敏，非常微小的环境变化，诸如热、磁、光、电、声、辐射、应力以及空气中化学分子等的微小变化都会引起其性质作相应的改变。生物本身就是与环境不可分离的，几十亿年的进化形成现今的生物各个物种，无一不是与环境相适应的结果。可以说，生物就是在与环境的学习和利用过程中形成。一方面，生物个体在环境的“选择”下，形成适应环境且对稳定的功能结构，在进化中不被淘汰，得到生存；另一方面，进化过程中形成的结构又必须具备对环境微小变化有灵敏反应能力，从而尽快调整自己，使自己对新的环境加以充分利用，完善自己的功能结构或为形成新的功能结构打下基础。
细胞，作为生命个体的最小单元，它所表现出来的生命活动与液晶性质有着极为相似的特征。植物细胞中叶绿体是一种植物生存必不可少的细胞内器官（细胞器），专司为植物细胞提供能量的功能。叶绿体具有集光复合体、电子传递链和cF[,1]-FOATP酶复合体等一系列与将光能转化为生物化学能量形式（ATP）的光合磷酸化装置，它可接受照射于其上的单个光子并加以利用；细胞内的另一产能细胞器——线粒体内也有类似的氧化磷酸化装置，它能将进入其内的其它形式的化学能高效地转化为细胞可以利用的ATP能量形式。这两种细胞器负责细胞生存所需能量的90%以上[（3）]。不言而喻，这种高效灵敏性与液晶的特性是非常吻合的，事实上，上述两种产能装置就是分别位于两个细胞器的内膜上，此膜为生物膜的一种，生物膜则是典型的液晶态脂分子双层结构，正是在这一液晶态的内膜上，单个的光子被接收，成对的电子在传递。细胞内几乎一切功能活动都与称之为内膜系统的结构有关，而这一结构，也是具有液晶特性的双层脂分子单位膜为主要结构组分。
物质四态在生命个体中都是存在的，并且各司其职。气态的氧气在肺中经过肺泡的作用进入毛细血管，被红细胞携带在液态的血液中流动进入需氧的各类组织中，组织中的CO[，2]废物运输方向相反；液态的血液同时也将各类营养带到各类组织。固体，无论是在生物体内，还是生物体外（昆虫外骨骼），都以其特有的稳定性起作用，或维持生物个体形态（如骨骼），或保护着生物个体（如卵壳），或两者兼而有之（如软体动物外壳）。不仅物质状态在生物体中行使不同的职责，同一状态的物理性质如稳定性也同样为生物体“精选”利用。例如广泛存在于生物体的CaCO[,3]这种固型物质有三种晶型[（4）]，依其稳定性由大至小为方解石、霰石和球霰石。在生物体中仅维持形态或其它不需形态变化功能作用的，则多为CaCO[,3]的最稳定结构一方解石，如卵壳（维持形态）、哺乳动物及鸟类内耳中耳石（仅维持身体平衡作用）。在高等鱼类中，内耳淋巴液中耳石除起维持身体平衡作用外，在环境缺乏钙时，则作为一种钙库，CaCO[,3]溶解平衡血钙。起这种作用的多为CaCO[,3]的次稳定形式——霰石。在一些低等软骨鱼中，内耳中耳石平衡作用不为主，而主要起钙库作用；高等动物（爬行类、鸟类）发育中，卵黄囊中仅为钙暂时贮存形式的CaCO[,3]，均为物理上最不稳定的形式——球霰石[（4）]。与此非常相似，液晶态以其易变而又有序的物理特性，在生物体中起其相应的作用，这也是生物体在进化过程中的必然选择。
从某种意义上说，生物体结构是生物体不断向环境学习、适应，并且将学习适应的结果以结构的形式“固定”下来的过程，液晶态在生物体内广泛存在并保持下来的过程，也是“物理”的自然规律在生命过程中的升华过程，这一现象赋予了生命科学以哲学意义，为人类更为有效地认识自然、改造自然提供了新的思维方向。认清生命本质，不仅要弄清功能和结构，更深刻的认识则是研究生命的物理、化学基础、生物组织细胞的原子分子水平上的认识，只有这样上能揭示生命规律的辩证法[（5）]，液晶则是在后一种水平上提供的线索。这也是近几十年来，交叉学科不断产生、成果不断涌现的原因。
三、液晶与细胞的起源和病毒的进化地位
生命的起源历来是生物学工作者乃至哲学家们思考的范畴。作为生命最基本单位的细胞的起源是生命起源的关键问题。如果说，生物进化本身是大分子自组织的过程，是熵减过程[（7）]，细胞的起源则通常认为是生命的启始点，是由环境中相对无序的分子弥散状分布到有序的有机结合的启始过程。
Seddon1991年指出“没有液晶就没有生命！”[（8）]构成细胞膜的具双亲性的磷脂分子，在水环境中可以自组织装配成单一双层膜这一与细胞膜相似的囊状结构。细胞不可能出现在膜之前，这一囊状结构无疑在生命起源的前期起着无以替代的作用。这种液晶的囊状结构具有细胞应具的一切重要特征。首先，它可以在水分子等进入时体积增大而“生长”；其次，它可以向内凹陷而“吞噬”外来物质；第三，它可以像细胞那样“出芽”，此芽可生长脱落，而具“繁殖”功能；更重要的是，此囊膜为液晶态，其内允许嵌入其它物质（如蛋白质）并且嵌入物质可在囊膜中作二维面运动。假定在生命前期，重要的生命大分子偶然陷于其中，即可形成一个可以“生长”并可将其膜上物质分布于芽“生殖”产生的囊泡“子细胞”中的前细胞。这一前细胞具备了当今细胞的重要特征—生长和繁殖。出芽生殖方式至今仍然是许多细胞（如细菌等，甚至高等生物的某些组织的细胞）中常见的细胞增殖方式之一。
病毒的起源进化问题，自病毒发现之日起就是个争议很大的问题。病毒是一种介于生命与非生命状态间的物质形式，当它进入细胞后表现出典型的生命特征，侵占细胞，大量复制繁殖；但在细胞外单独存在时，则表现出非生命状态。这里似乎存在一个悖论，即是，因为病毒需要依赖细胞才能繁殖，所以它似乎在起源上必然晚于细胞的产生；但从结构上看它比最简单的细胞生命形式（如支原体）还简单，可简单到只有一个核酸分子，并具侵染能力，所以，它又似乎应该是一种在细胞出现前出现的一种“准生命”形式。近十年来，已有大量的报道证实，无论是来自生物体还是人工合成的核酸分子在一定的条件下是以液晶态的形式存在的，而至今为止，可查阅的资料都表明，核酸液晶态仅发现于裸露的（即未与组蛋白结合的）核酸分子，与组蛋白结合的染色质未见报道具液晶性质。但是，几乎所有已知生物体内DNA是均与组蛋白结合的，除了病毒和原核生物外[（9）]。最近几年的报道已发现，许多病毒的DNA也为液晶态[（10）]。从这一点上看，大多数病毒，即侵染原核生物以外生物个体病毒更接近于简单的核酸分子，也就是进化地位界于非生物和生物间的可能性略大一些；当然，这里不包括原核细胞病毒。原核细胞病毒和真核细胞病毒具有不同的进化途径？仅原核细胞病毒来源于原核细胞退化？如果这样，真核细胞来源于原核细胞么？显然，核酸分子液晶态的发现使得病毒的进化地位更加扑朔迷离。
四、现代生物学中的液晶态
生物学发展至今已经经历了解剖学、组织学、细胞学三个阶段，现已进入到从分子水平揭示生命本质的阶段。从现有的资料来看，在生物学的各个研究水平上，生物个体均有液晶态现象的表现。
从解剖和组织水平上看，神经系统和肌肉系统明显地表现出液晶的特性，神经组织和肌肉组织既在形态上表现出一定的宏观结构，但又不像固体那样“一成不变”，一定的外界力量作用则表现出可变形的特性。从细胞和分子水平上解释，神经细胞膜表现出二维结构的有序性，虽然分子在与鞘磷脂为主形成的二维面上可以自由运动，但其构成的二维周期性重复间距却保持相对稳定不变。肌肉是一种特化执行收缩机能的细胞构成，早在1950年，Needham就已证实其在收缩中起重要作用的肌球蛋白具有光学各向异性，呈典型的液晶六角相排列。与动物视觉密切相关的视杆细胞中，由细胞膜下陷而成层排列的视片层均为液晶态，已为公认。
吴熙载、何海平和徐学红等[（11），（12）]在系统研究鸡胚发育时发现，肝脏、卵黄（囊）、皮肤、中肾、后肾等18种主要组织和器官，在特定时期出现液晶态，液晶态在贮存能量、保证钙质动用激素水平等一系列生理生化过程中起作重要的作用。液晶态在发育过程中的存在极为广泛。诸如在昆虫变态过程脂肪体营养细胞中，鱼类卵巢发育及退化过程中，生物体病理状态组织中（如动脉粥样硬化、脂肪肝等）都普遍存在。近年来，核酸液晶态的报道已使生物液晶的研究进入到分子水平，特别是法国科学家Gennes因其在大分子液晶的研究工作获得1991年诺贝尔奖，更加激起了人们对生物液晶研究的兴趣[（13）]。虽然液晶态在上述各个生物学水平上的意义尚未有明确的答案，但这一物质形式的生物学意义确是引起国内外生物学家、化学家关注的重大问题。
五、液晶态存在于生物体的哲学思考
脂类、糖类（多糖）、蛋白质和核酸是四大类生物分子，这四类分子的许多物质都具有液晶性质。在体外，液晶分子的有序结构都是由自组织装配的形式来形成的。可以认为进化过程的早期，无论是“未来”的生物大分子，还是“原始细胞”的雏形均是由自组织的形式产生的，自组织装配是生物界起源的基本方式。
科学哲学是从17世纪和18世纪才开始发展起来的，所以，一般认为当代科学哲学是从单纯物理科学中抽象而来，因而，物理学科的思想和方法自然成了评判科学的标准，大多数哲学家理所当然地把物理学科看作是科学的范式。当代生命科学的发展，特别是分子生物学的发展，使这一情况发生了变化，逐步建立了自己的科学范式[（14）]。著名的生物学家恩斯特·迈尔指出，科学哲学应该从单纯物理学影响的状态下摆脱出来，而同时要考虑当代生物科学的思维，建立多元化的科学哲学[（15）]。从物质第四态——液晶态存在于生物体的事实来看，多元化科学哲学的观点是更具科学性的。液晶态并非简单地存在于生物体，而是在不同功能时期，不同空间存在于生物组织的不同结构水平上。某一单独的液晶特性，并不能适应于生物各个时期、各个空间的功能需求。物理的性质并不是无选择的机械存在，生命的发展有其自身的规律，可以说，是生命的发展进程选择了“物理的特性”。生物界具有极强的自身规律。因而，作为抽象的科学哲学也不应该或者说也不可能仅以物理学科的范式而一统，科学哲学的多元性应是其必然具有的性质之一。
[*] 此课题得到国家自然科学基金和武汉市科委“晨光计划”的资助。