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生物界化学现象的启迪 |
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化学仿生学简介 仿生学是一门妙趣横生的科学，它既古老又年轻。说年轻，是因为它在1960年才正式成为一门科学，历史还不长；说古老，是因为几千年前就有人模仿生物的特点来制造工具。传说我国古代有个叫鲁班的木工，模仿茅草边缘的缺口制成了锯子。近百年来，人类向生物取得的学习成就就更多了，例如飞机仿蜻蜓、潜水艇仿鱼、雷达仿蝙蝠等。这种对生物体形和机能的模仿是物理（机械）仿生学研究的领域，这是人类第一次向生物学习。 科学的发展日新月异，生物学进入了分子生物学的时代。从分子水平上看，生物本领之大，更是人们见所未见，闻所未闻。于是科学家们又开始向生物学习化学功能，这是人类第二次向生物学习。这次学习使人们在生物学、化学等领域创造了数不清的奇迹，形成了一门新的科学——化学仿生学。 生物体内的魔术师——酶 生物体内有一种奇妙的蛋白质叫做酶，生物体内发生的一切化学反应都是在酶的催化作用之下实现的。酶是一种催化剂。 说起催化剂，少年朋友们也许会感到陌生，举个例子就明白了。一块糖用火是烧不着的，可是，如果在糖块的一角撒一些烟灰，一点火，糖便可以烧起来。烧完以后，烟灰还是烟灰，并没有变化。在这里，烟灰起了催化剂的作用。催化剂能促进化学变化，但是在化学变化的前后，它本身的量和化学性质并不改变。酶在生物体内，也能起促进化学变化的作用，所以我们可以把它叫作生物催化剂。 酶是1815年由一个俄国人发现的。但是，人类有意识的利用酶的历史则要长得多。我们的祖先远在4000多年前就知道利用霉菌的淀粉酶来酿酒。我国是世界上第一个使用酶的国家。 酶字的一半是“每”字，正巧说明了最早的酶是从霉菌来的；也说明了酶的广泛存在和广泛用途。“每”种生物，“每”个器官，“每”个细胞里都有酶；生物体内的“每”种生化反应都需要酶。酶的品种很多，像个小王国，目前的“人口”有两千左右。它们分工严格，专一性很强，一种酶品只能催化一种反应，就像一把钥匙只能开一把锁一样。 人和动物身体里有着各种各样的酶。一条蟒蛇囫囵吞下一只完整的小动物，居然能把它消化掉，这就是酶的作用。酶把这只小动物的身体分解成几种化学成分，又把它们重新组合，变成蛇的肌肉。这情形就像一队建筑工人拆了一栋旧房子，然后又利用拆下来的砖瓦和木料建成一栋新房子一样，在这一拆一建之中，酶立下了汗马功劳。 由于酶有这样奇妙的本领，科学家们研究酶的秘密，想要造出一种具有酶的功能而又比酶稳定的人工催化剂。 前几年，有个叫凯富尔的人，成功地模拟了硫酸酯酶 （也就是说，他用人工的方法造出了硫酸酯酶）。据试验，它的本领比天然的硫酸酯酶还要大，这是模仿酶而又超过酶的第一个例子。后来，又有人成功地模拟了过氧化氢酶和血红蛋白。血红蛋白有可能用于人工肺中，以挽救垂危的病人；也可以给登山、长跑运动员、潜水员带来方便。 有一种酶叫固氮酶，模拟这种酶现在已经成为农业科学的重要课题。大家知道，各种庄稼在生长过程中都需要大量的氮肥，空气中本来就有大量的氮，可惜大部分庄稼都不能从空气中直接吸收，需要人工施肥，只有大豆、花生等豆科植物例外。这是因为，它们的根部有大批根瘤菌，根瘤菌里的固氮酶能利用空气中的氮合成氨，供给植物吸收。 固氮酶这东西远在1893年就被人发现了，但是要人工造成这种酶很不容易，科学家们经过几十年艰苦卓绝的努力，才制成了有固氮本领的模拟酶。它们在室温（一般指摄氏15度到25度的温度）和常压下，几秒钟内就可以使空气中的氮和水中的氢直接结合成“联氨”，联氨经过加温以后可以释放出氨，供植物吸收。氨是植物的“粮食”，也是化学工业的基本原料，不远的将来，当人们能够大量生产固氮酶的时候，氨的产量也会大大增加。到那时候，化学工业和农业生产一定会飞速发展，出现魔术般的奇迹。 奇异的人工生物膜 我们的身体是细胞构成的，动物、植物、微生物的身体也是细胞构成的，细胞是构成一切生物体的基本单位。细胞的形状多种多样，不过它们的构造却是一样的，一般由细胞核、细胞质和细胞膜组成。这三部分各有各的作用，现在单说细胞膜。 细胞是有生命的东西，每个活细胞都需要从外界吸收它所需要的物质。谁来完成这个任务呢？就是细胞膜。它好比是细胞的“采集员”和“运输员”。它对细胞外围的物质并非什么都要，而是严格挑选。不是细胞需要的东西，它就拒绝接受，不准通过；凡是细胞需要的东西，它就努力搜集，并且运送到细胞内部。例如，海带的细胞膜就有从海水中摄取碘的本领，一般干海带里含碘0.3％～0.5％，有的可高达1%，比海水里含碘的浓度高出几万倍到十几万倍。有一种石毛藻的细胞膜有摄取铀的本领；海参的细胞膜是钒的收集者。如果我们把生物细胞膜的这种本领学到手，意义极大！它可以用干海水淡化、污水处理、气体分离、海洋资源的开发利用、微量元素的摄取等方面。目前，模拟生物膜已经发展成为一门新技术，并且取得了不少成就。举例来说：载人宇宙飞船飞上天以后，由于宇航员的呼吸作用，座舱里的二氧化碳越积越多。过去是没有什么办法处理的，现在发明了一种人工生物膜，它可以把氧从二氧化碳中分离出来，消除座舱中的二氧化碳。还有，潜水员不带氧气瓶下水，就不能在水下长时间工作。为了解决这个问题，科学家正在研制一种人工生物膜，现在已经制出了样品，并且用老鼠做了一次试验。老鼠装在用这种膜封闭起来的笼子里沉入水中，居然能照常生活。原来，通过这种膜，水中的氧气可以进入笼中，老鼠呼出的二氧化碳，又可以通过这种膜排进水里。氧气可进不可出，而二氧化碳则是可出不可进，你看多么奇妙！也许用不了多少年，潜水员就可以用上这种人工生物膜。 转换能量的高手 提起能源，人们就会想到煤炭、石油等，其实，生物自身也可以产生能，还能够把一种能转换成另一种能，而且转换效率很高。 为了说明这个问题，我们用磨面这件事做例子：磨面机是由电动机带动的，电是从发电厂送来的，发电机是蒸汽推动的，蒸汽是锅炉里产生的，而锅炉是用煤作燃料的。这个过程就是能量转换过程。下面就是这个过程的示意图： 在这个过程中、煤的化学能量经过了三次转换，每一次转换，都要损失一些能量，转换效率大约是40％。 人力也能磨面，不过，人的能源物质不是煤而是食物。人吃了食物，经过酶的消化作用变成葡萄糖、氨基酸等，再经过氧化作用，变成一种可以产生能量和储存能量的物质——腺三磷（ATP），人想推动磨盘了，腺三磷就放出能量使肌肉收缩，牵引肌腱去推动磨盘。从这个过程中，你可以看到：人体把食物的化学能转换成机械能，一次就完成了，转换效率比较高，大约是80％。 生物转换能量的高效率，引起了科学家们的兴趣，他们模仿人体肌肉的功能，用聚丙烯酸聚合物拷贝成了“人工肌肉”。这种人工肌肉也能把化学能直接转换成机械能。只要配合一定的机械装置，就能提取重物。据实验，一厘米宽的人工肌肉带能提起100公斤重的物体，这比举重运动员的肌肉还要结实有力！ 现在我们常见的白炽灯是热光源，灯丝发光一般要烧到摄氏3000度，90％的电能变成热能而白白浪费了，用于发光的电能只占10％。荧光灯要好一些，但转换效率也不超过25％。要想提高发光效率，还得向生物学习。例如萤火虫的发光效率就比白炽灯高好几倍。在萤火虫的腹部有几千个发光细胞，其中含有两种物质：荧光素和荧光酶。前者是发光物质，后者是催化剂。在荧光素酶的作用下，荧光素跟氧气化合，发出短暂的荧光，变成氧化荧光素。这种氧化荧光素在萤火虫体内的腺三磷的作用下，又能重新变成荧光素，重新发光。 萤火虫在发光过程中产生的热极少，绝大部分的化学能直接变成了光能，所以它的发光效率非常高。它是一种冷光源。这种冷光源也引起了科学家们的兴趣。他们正在想办法人工合成荧光素和荧光素酶。等到试验成功并且大批生产以后，人们可以把这种冷光源用在矿井里，用在水下工地上；甚至可以把这种发光物质涂在室内的墙壁上，白天接受阳光照射，储存能量，夜晚便可大放光明。 高效率的催化剂 生物的活细胞，是天然化工厂。生物在进化过程中，获得了能有效地合成生命运动所必需的一切有机物的惊人本领。 生物的活细胞，是一个“反应堆”。在细胞中，可同时发生1500～2000个化学反应，而且完成这些反应的速度极快。例如，由缬氨酸开始，合成一条由150个氨基酸组成的肽链仅需一分钟。尤其惊人的是，只需要常温、常压下就能完成这些反应。相比之下，现代的化学合成技术是何等的“笨拙”，不但必须在几百、上千度的高温和几百个大气压下才能反应，而且最多只能同时进行几十个反应。 二者的差别为什么会这么大？最根本的原因就在于，在活细胞的化学反应中，起着支配和调节作用的是生物酶。 据估计，一个活细胞中往往含有几千种生物酶，它们的催化效率比化学工业上应用的无机催化剂要高得多，而且有很强的选择性，一种酶仅仅催化一种特定的反应，并且往往只是一个反应，这也大大加强了生物酶的催化作用。因此，人们正在努力寻找把酶反应应用到化学工业和化学分析中去的有效方法。但是，生物活细胞中酶的含量极少，要提取和纯化它们是十分困难的。因此，要在化学工业和化学分析中广泛采用生物酶去催化化学反应，几乎是不可能的；而人工模拟合成生物酶，才是可行的途径。不过，生物酶本身是一种蛋白质，是由一连串氨基酸组成的。其化学结构远比无机催化剂复杂，因而要用非生物化学方法严格地模拟酶也相当困难。经过进一步研究，发现在酶的蛋白质链中，不是所有的氨基酸分子都具有同样重要的作用，起催化剂作用的只是其中的“活性点”的那一部分。因此，研究酶的活性点的结构是模拟生物酶的一个重要途径。 对生物固态酶的生物化学研究和化学模拟，是生物酶研究的一个例子。氮肥是植物生长发育必不可少的养料，氨是人工化学合成的氮肥。如果按每亩施用20公斤氨计算，我国的16亿亩耕地每年就需要3200万吨氨。而目前全世界氨的产量不过4000万吨，远远不能满足人类的需要。因此，寻找合成氨的简易方法，自然就成了举世瞩目的研究课题。 高等植物不能直接利用空气中的氮气作养料。但豆科植物根上的一种微生物——根瘤菌，则可以通过体内固态酶的作用，从空气中提取氮，从水中取出氢，并将二者合成氨，当然这是在常温、常压下以极高的速率进行的。 目前，在石油工业、化学反应工业的生产过程中都广泛采用了催化剂。催化剂能够使一些化学反应的速度加快，而它们本身在化学反应结束后却没有什么损耗，也不发生化学变化，这种能使化学反应加快的本领是催化剂的一个特点，称为“活性”。催化剂的活性越高，被它催化的化学反应速度就越快。催化剂的活性是个很复杂的问题，许多原因现在还不很清楚。目前比较普遍的看法是，在有催化剂的化学反应中，当参加反应的不同分子在互相进行化学反应之前，催化剂就先和反应分子接触，通过一些特殊的物理和化学作用，使这些反应分子的化学结构发生了有利于化学变化的反应。因此，催化剂也是积极参加反应的，但是在反应之后还能从反应中解脱出来，仍然保持原来的性质。例如，在室温条件下，把氢气和氧气按2∶1的比例放入玻璃瓶内密封，即使经过很长时间，也只有少量的氢气和氧气发生反应而成水、但是，如果在瓶内加入少量的白金粉末，绝大部分的氢气和氧气几乎立即化合成水，而白金粉末的数量和质量都没有发生改变。催化剂的第二个特点是对所催化的化学反应方向有选择性，使化学反应沿着某一方向进行。 生物发光 谈起生物发光，人们首先就会想到萤火虫。 在炎夏之夜的野外，人们经常看到点点流动的淡黄色或淡绿色闪光。有时是单独一个，忽而又会成双成对。这便是从萤火虫腹部末端的发光器发出的“求偶信号”。雄萤先发出寻找配偶的闪光信号，“有意”的雌萤便发出回答闪光，凭着这种奇特的“闪光”语言，它们便在夜幕中默默幽会了。 萤火虫的发光器，由发光细胞层和反光细胞层构成。发光细胞含有荧光素和荧光酶，前者是光的产生者，后者是发光的催化剂。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内的水分参与下，与进入的氧化合而发出荧光。荧光酶每次发光后，因失去能量而“熄灭”，此时萤火虫体内的一种高能化合物——三磷酸腺苷 （ATP）便使荧光素重新产生，继续发光。 在海面上，有时会发现银色的光带，有时又会涌出一团火球，那就是海洋生物发的光。海洋是发光生物云集的地方，它们像夜空中闪烁的点点繁星，给黑沉沉的海洋深处染上了瑰丽的色彩。海绵、珊瑚、海洋蠕虫、水母、甲壳类、蛤类、乌贼以及单细胞海生生物——海藻都能发光。 有一种称作“钓鱼者”的 ，又叫蛤蟆鱼，它生活在几十米至几千米深的海底，几乎完全失去了游泳能力。 背鳍的第一棘特化为长长的丝状 “钓杆”，顶端有一个像盏小类笼的膨大的发光器。游过的鱼类常把在水里摆动着的这盏小灯误认为是食物，上去就是一口，这时， 就把大嘴一张，周围的水突然变成一股下陷流，随即又把“钓杆”往口中一甩， 就坐食美餐了。 生物发光是“化学发光”的一种特殊形式。不同的生物，发光的形式也不尽相同，一般说来有三种： 一种是细胞内发光、这种发光过程是在生物体内专门的发光器官里进行的。萤光虫的发光属于此种。 另外一种是细胞外发光。即生物把荧光素和荧光酶排出体外而引起的发光现象。如海洋里的一种小动物——海荧，就是这样发光的。 还有一种是“共栖细菌发光”， 的发光属于此种。 的那盏小灯笼里窝藏着一些发光细菌，它们靠 供给养料， 以它们为钓饵。二者互相依存，形成一种特殊的共栖关系。 与人工光源相比，生物发光有着许多优点。电光源在发光过程中，灯丝一般要烧到3000℃的高温，90％以上的电能变成热能浪费掉了，因此叫“热光”。如普通的电灯泡的发光效率不到IO％，荧光灯也不过25％。而生物发出的是一种不放出热量的“冷光”，发光效率是100％，可将化学能全部转变成光能。 许多研究者正在深入探讨生物发光的机理，以求制造新型高效人工冷光源。人类大规模使用冷光源照明的日子，已经为时不远了。到那时，屋内涂有特殊发光物质的墙壁，白天接收阳光照射储存能量，夜晚便可“大放光明”！ 气步 与化学武器 自化学武器问世以来，曾给一些国家带来灾难，使无数人在化学战中丧生。因此，它遭到了全世界爱好和平人们的强烈反对，国际公约也明确禁止在战争中使用。但一些国家仍在不断地研究和生产。化学武器是怎样发明的呢？这还得从一种名叫气步 的小 虫那里谈起。 气步 ，肚子里有一个能进行化学反应的反应室。室一端通向肛门，另一端有两个管道，分别通向体内的两个腺体。这两个腺体一个生产对苯二酚，另一个生产过氧化氢。平时这两种化学物质分别贮存，不会相互接触。一旦遇到敌害，气步 便猛地收缩肌肉，把这两种物质压入前面的反应室。在反应室里，过氧化氨酶使过氧化氢分解，放出氧分子；在过氧化物酶的作用下，对苯二酚被氧化成醌。反应放出大量的热，在气体压力下喷射出来的醌水化合物达到了沸点，就发生了爆炸声并形成一团烟雾，从而吓退前来威胁的各种敌人。 还有一种小动物的技术比气步 更高一筹，在它的反应室里分解成的氢氰酸和苯甲酸，以蒸气形式喷射出去，一次喷的氢氰酸足以将几只耗子毒死。 在自然界里，使用“化学武器”防御敌害的小动物还不少。它们同气步 的防卫原理一样，产生出醋酸、蚁酸、氢氰酸、柠檬酸等，对敌实施攻击或防御。现代火箭和化学武器的制造，使人们产生着一种神密感，殊不知，这还都是从小虫豸的化学战中得到的启示呢！ 火箭里的液态氢和液态氧也是分别存放的，它们有管道通向反应室，火箭点燃后，将液氧、液氢压于反应室，氢和氧发生剧烈的化学反应，生成水和大量的热。水在这种高温下变成水蒸汽猛烈从尾喷管喷出去，产生强大的反作用力，推动火箭前进。化学武器所不同的是将反应室里反应所产生的有毒物质再由炸弹爆炸的冲击波散发出去。 化学武器作为一种人类相互残杀的工具是应当被禁止的，但小动物所给我们的启示并非只能制造化学武器。 生物膜的模拟 生物膜是指包围整个细胞的外膜。对于真核生物还包括处于细胞内具有各种特定功能的细胞器的膜，如细胞核膜、线粒体膜、肉质网膜等等，称为细胞内膜。生物膜是生物细胞的重要组成成分，它具有复杂的细微结构和各种独特的功能。对于生物膜的研究以及构成生命现象本质的许多问题，如能量转换、物质转换、代谢的调节控制、细胞识别、信息传递等都有密切的关系。 真核细胞的膜约占细胞干重的 70～50％，它不仅仅是包围细胞质的口袋，或者区分细胞内各细胞器的隔膜；而且作为一种结构为细胞提供了细胞空间内的支持骨架，使酶和其它的物质有秩序地排列在细胞内外的“骨架”上，因而保证了细胞内有条不紊高效率地进行成千上百的各种反应，保证了生命活动的正常进行。 生物膜的构造是非常复杂的，它的成分主要是蛋白质和脂类物质，此外还有少量的糖、核酸和水。其中蛋白质约占60～75％，脂类占25～40％，糖类占5％左右。其中脂类物质规定膜的形态，蛋白质则赋予膜的特殊功能。蛋白质与脂类的比例在不同的细胞膜是不同的，对于功能复杂的膜，其蛋白质的含量也比较高。 构成膜内脂类的主要成分是磷脂，它是一个两性分子。每一个磷脂分子由极性部分和非极性部分组成。生物膜中的磷脂呈双分子平行排列，极性部分排列于双层的外表面，非极性部分朝着膜的内部，这就形成了膜的基本结构。蛋白质和酶等生物大分子或者主要结合在膜的表面上或者可以由膜的外侧伸入膜的中部，有的甚至可以从膜的一侧穿透两层磷脂分子而暴露于膜的另一侧外。在暴露于膜外侧的蛋白质分子上有时还带有糖类物质。这些蛋白质、酶和糖类物质在生物膜的位置上并非固定不变，而是处于一种不断运动的状态。膜的各项生理功能主要是由蛋白质、酶、糖类决定的。 目前对于生物基本结构的了解，被认为是具有疏水性的膜蛋白与不连续的脂双层的镶嵌结构。对于水溶性的物质如金属离子、糖类、氨基酸等透过膜是一个“屏障”。但是活着的正常细胞，水溶性的小分子物质仍然可以穿透细胞膜，其中碘在细胞内的积累浓度比海水中高千倍以上。人体内在颈部气管的两旁有一种内分泌腺，称为甲状腺，甲状的腺泡细胞对于碘也具有很强的选择性摄取、浓缩和运转的能力。 细胞对某种物质所具有的浓缩功能，使某物质在细胞内的含量远远超过细胞外的数量，这种物质被输送到膜内是逆着浓度差进行的。这类输送过程称为“主动输送”，而且要消耗代谢能量。如果在主动输送过程中停止能量的供应，主动输送就变成“促进输送”，使膜内高浓度的物质顺着浓度差的方向将物质输送至细胞外，直至被输送的物质在细胞内外的浓度相等为止。 总之，膜的选择性输送功能，主要是由膜上的载体蛋白的作用实现的，载体的作用使膜提高了渗透率，且有高度的选择性。具有选择性的通透性是生物膜的一个特性，使细胞能接受或拒绝、保留（浓缩）或排出某种物质。人们如果能模拟生物膜的输送功能，创造出选择性强、高效的分离膜，不仅具有重要的理论意义，而且在化学工业中也有很大的实用价值。目前，在模拟生物膜的“促进输送”和“主动输送”的功能方面取得了一些进展，利用液膜技术达到了对气体及溶液中离子的选择性分离的目的。 液膜分离技术是从 70年代初发展起来的，它以模拟生物膜的“促进输送”为基础，是一种新方法、新技术。在液膜中加入适当的载体分子后，大大提高了液膜的渗透率和选择性，展示了良好的应用前景。 人工模拟生物膜输送物质的功能，把载体应用于化学分离，由此而产生的一种新的分离技术——液膜分离技术，为化学工业实现高速、专一分离目的开辟了一条新途径。人们可以根据不同的分离对象而设计不同的在液膜中进行的平衡反应。可以预料液膜分离技术在气体分离、海洋资源的开发和应用中将起到巨大作用。而对于生物膜化学模拟工作的广泛开展也将推动对生物膜的深入研究。 光合作用 象是大陆上现存的最大动物，高度达五米左右，鲤鲸是海洋中现存的最大动物，长约30米（与久已绝种的恐龙相比，仅仅有几米之差），但它们还不是生物界中的“最大者”。世界上现存的最高大的树木——澳洲的按树，高度竟达155米，加里福尼亚的“世界爷”（由于树枝光秃秃的像猛犸的大牙齿一样，所以又称“猛犸树”，植物学家也常称它巨杉）可长到142米高，树木下部的直径也可达46米。 桉树的种子常常是有棱角的、棕褐色的细小颗粒，两棱角之间的最远距离也不过1～2毫米，但这么小的种子，仅仅经过七年左右的时间，就能长成一棵高达19米、粗为1.5米的大树了。这些寸步难行的植物，它们是依靠什么东西生长出来的呢？大概是从土壤中吸收而来的吧！过去人们一直是这样猜想的。 在17世纪，有人曾为此做了一个专门的试验：把一枝小柳树插在盆中，每天浇浇雨水，五年以后，惊奇地发现虽然柳树的体重从原来的五磅增加到169磅，但盆中的泥土只减少了0.02公斤。这个试验有力地证明，植物生长所需要的大部分东西，不是从土壤中吸取的。但究竟是从哪里来的呢？人们又想到了水。 由于水是植物原生质的重要组成部分，原生质内部含水量的多少，会直接影响到原生质的状态，如凝胶、溶胶、团聚体的相互转换等，严重的缺水往往会使胶体凝固而停止生命的活动，所以水在植物的生长中的确占有很重要的位置。植物在生长中所消耗的水，是很惊人的。据统计，一株向日葵在整个夏天要消耗250公斤左右的水，水稻每长成一公斤干物质就要消耗600～700公斤的水，甚至更多。 但人们又经过了近200年的研究，发现植物生长所需要的物质，光有水还是不行的。科学工作者曾仔细地进行过观察，发现植物的叶子是水分蒸发十分强烈的地方，因一般植物都具有很多的叶子，植物与空气的接触面积也非常大。如一棵中等大小的桦树，它大约有20万片叶子，如果按照每片叶子的平均面积为6平方厘米，则20万片叶子的总面积为1200平方米，这个数值相当于二亩土地的面积、由于这些原因，所以根吸收进来的水分，大约有99.8％通过叶子被蒸发掉了。 既然这样，那么在植物的生长过程中，究竟是什么东西在起作用呢？经过深入的研究，人们从分析空气的成分和有机物质的化学结构中知道，原来植物的生长和发育，除了水的作用之外，空气和阳光起着巨大的作用。计算表明，植物制造出一克糖，不仅需要吸收相当于2500升大气所包含的二氧化碳，而且还需要相当于四千卡的太阳能。 但阳光、大气和水，这三者在植物的生长过程中又是怎样起作用的呢？这就是植物所独有的一种神秘的本领——光合作用。 光合作用，一般来说，是植物利用二氧化碳和水，在阳光的照射下，通过叶绿素吸收太阳的辐射能，把无机物变成碳水化合物的过程。这是奇妙的反应过程，为了探索它的秘密，近年来，人们对它进行了规模巨大的研究活动。 1954年，人们将植物叶子中的叶绿素提取出来，并加入含有放射性同位素的二氧化碳，再放在阳光下照射，结果有趣地发现，叶绿素能生成放射性碳水化合物，并放出氧气。 叶绿素的这个本领是从哪里来的呢？为了揭开秘密，人们又用显微镜对植物的叶子进行了仔细的观察和分析，结果发现植物叶子中组成叶肉的细胞内存在大量的绿色“小球”（即叶绿体或叶绿球）。这些小球由基粒和间质两部分组成，它的外部还具有一层半透性的薄膜。基粒是叶绿体中许多圆碟形的非常微小的颗粒，它埋在同质之中，介质则主要由蛋白质所组成。在含有大量色素的基粒之中，还排列着一层层、一束束有次序的叶绿素分子。当光线照射到这些叶绿素分子时，它们就会利用日光的能量，把水和二氧化碳制成糖，糖就可以合成我们食用的淀粉，经过转变之后，也可以合成脂肪和蛋白质，在这个转化的基础上，也可以进一步合成维生素以及橡胶等重要原料。 一般植物的叶绿素，都是呈绿色的，为什么不呈其它的颜色呢？有关的研究表明，原来光敏色素与植物的生活有很大的关系。科学工作者曾用不同波长的光进行试验，结果发现光谱中的红色光对于植物的发芽、生长、开花、结果能产生良好的促进作用，而绿色叶绿素又是吸收红光的能手。由于这个原因，在高等植物中，虽然其种类极其繁多，但都有一个共同的特点，即叶子都是呈绿色的。 在光合作用的过程中，光的影响是很大的。光能通过叶绿体吸收后，能迅速地将能量传给水分子，使水在光的照射下发生分解，在分解过程中不仅放出氧，同时还形成质子和电子。由叶绿素激发出来的电子，它们能像爬山一样，爬到一个高能的水平，然后通过许多传递体回到原来的水平，在电子的流动过程中，进行光合作用的两种最基本的东西也就形成了，电能变成了化学能。 人们发现许多不能食用的植物叶子不仅含有可以食用的蛋白质、脂肪、淀粉、胡罗卜素 （人食用之后，在人体内可以转变成多种维生素）和抗血酸等物质。而且这些物质的含量，常常比种籽和块茎还要多，所以人们大胆地设想从叶子中直接提取可供食用的蛋白质等物质。但由于叶子一般含有大量的纤维素，可供食用的物质常常被包在由纤维素所组成的细胞壁里边，人们直接食用这些叶子，一般无法消化和吸收叶子中可供食用的物质，所以，科学工作者提出了一套从叶子中提取可供食用物质的工艺过程：植物的叶子经过压碎、打浆、压榨、加热、过滤和干燥等步骤之后，叶子的细胞壁就会被打破，可供食用的物质就可以从纤维素中分离出来。 据说，利用这种加工方法的一种名叫“机械牛”的提炼机器，使用同量的草料，“机械牛”所形成的蛋白质，可以十倍于以肉和奶的形式所提供的蛋白质的数量。 一种可以用来制造片状、海绵状或口香糖状的人造肉的工业用挤压植物蛋白设备也已经问世了。虽然机器的产品在广泛性、多样性等方面还存在着一些问题，但它诞生的意义是深远的。因为它不仅要以利用自然界中任何植物的叶子作为原料来大量生产纯粹的蛋白质，为人类的食物提供了一个新方向，而且它们对于人类的生活和工作，也将产生革命性的影响。 为了解决人在宇宙飞行的诸多问题，除了对宇宙飞船提出一系列的要求之外，对于人在漫长的征途中所需要的食物、水、氧气的供应，以及人在生理作用下排出的水汽、二氧化碳等废物的处理方面，还必须采取一定的措施。 目前，人们常采用压缩的或液态的氧气来保证供应宇宙飞行员在呼吸时对氧所需要的数量和压力。对于飞行员在呼吸过程中所产生的二氧化碳，一般是利用化学吸收剂——锂、钾、氢氧化合物等物质来进行排除。但这并不是最好的办法，如果人们要到很远的星球上去做客，这种办法肯定会遇到很大的困难。 怎样来解决这个问题呢？人们在经过许多试验后发现，寄生绿藻在得到二氧化碳及适当的光线之后，放出来的氧气常常要比一般植物多。计算表明，2.3公斤的寄生藻在一小时内就可放出足够人在一小时内所需要的氧气量。如果考虑到寄生藻在光合作用时，还能吸收二氧化碳的话，那人类在远征宇宙中寄生藻的价值就更高了。 光合作用是地球上影响最大、与人类关系最为密切的一种反应过程。它不仅为地球上所有植物的生长提供了条件，而且也是人类和许多动物生存所需物质的唯一来源。 由于大部分陆地为绿色植物所覆盖，即便是海洋，从光合作用的观点来看，也并不是不毛之地，因为在深达20～50米或更深的海水中，往往存在着大量的、只有在显微镜下才能看到的单细胞藻类。这些在一公倾面积内可达3～4吨重的单细胞藻类，和绿色植物一样，在光的作用下，每年也能将大量的二氧化碳中的碳还原而形成有机物质。所以人们根据陆地植物和水生植物的生长数字，曾进行过粗略而保守的估计：假定一年中每公顷陆生植物，由于光合作用而固定1.2吨碳，水生植物由于光合作用而固定3.75吨碳，再加上它们用于呼吸作用的15％的碳，则一年内植物在光合作用过程中，固定碳的总数量可达：陆生植物约200亿吨，水生植物约1550亿吨，两者加起来可达1750亿吨。 据这个总数，就可以推算出地球上的植物，每年在光合作用的过程中，要形成大约4000亿吨左右的有机物质，这个非常巨大的数值，就是地球上规模及影响最大的物质环——碳的循环。 15 目前，地球大气中氧的含量仅为1.5×10吨，所以，植物在光的作用下，可以担负起这样的一个重任：用3000年左右的时间，把地球上大气中的氧更换一次。这就是地球上另 一个重要的物质循环过程——氧的循环。 光合作用的丰功伟绩还远不只如此，它对其他的物质循环，也能起到很大的推进作用。 光合作用的研究具有重要的意义。从现实的情况来看，植物光合作用，是大气中氧的来源，氧不仅是人和动物的生存所不可缺少的东西，而且也是目前工业中的一种重要的助燃剂。植物的光合作用，为人类提供了无法计算的工业原料。如各种纤维、木材、橡胶、造纸的原料、造酒精的原料等等。植物的光合作用，也是人类目前所利用的能量的基本来源。因为迄今为止，在国民经济中的各个部门和日常生活中，人们所需能量的95％，都是从过去的或现在的光合作用的产物中取得的。植物的光合作用，也是人类目前所利用的一切食品的根本来源，这些植物的收获物，大约有90～95％是由植物在光合作用的过程中形成的。 奇妙的化学反应 人们曾把草藤栽在绝对纯净的蒸馏水中，除了加入少量的钙盐作为养料之外，植物的生长几乎不与外界发生物质交换，但经过一个多月的时间之后，发现草藤中的磷元素比原来减少了，而钾元素却增加了十分之一左右。 这是什么缘故呢？这种能将一种元素转化为另一种元的奇妙本领，常常使近代的科学家们感到惊奇，因为迄今为止，科学工作者只能利用原子反应堆或回旋加速器等复杂的设备，才能使一种元素转化为另一种元素。但植物却不同、它们能在常温常压下，轻而易举地完成这项艰巨的工作。 非凡的化学本领还表现在其他的许多方面，如非生命物质向生命物质转换的过程。绿色植物就是一个天然的有机化学工厂，它们能吸收外界的无机物质，并把无机物质转化为有机物质，制造出各种供人和动物食用的果实、香料和药物，或燃料、染料等。如甘蔗和甜菜里，就含有大量的糖，除此之外，一些植物还具有能合成蛋白质的本领。 机体最基本的功能——新陈代谢，它能不断地产生新的细胞和组织，以取代业已衰老无用的那些东西。在这整个过程中，生物的活细胞就具有合成生命活动所必需的一切有机物质的非凡本领。号称人体化工厂和仓库的肝脏，它不仅是机体内三大营养物质——碳水化合物、蛋白质和脂肪的制造者、而且还具有解毒。生成维生素A、调节水和盐的代谢、贮藏血液等功能。 小小的肝脏具有这样巨大的功能，研究表明，除了它在构造上的复杂性和特殊性之外，在机体内还有一整套非常经济、有效的化学合成本领。 有一个有趣的故事，在某个牧场里，由于年景不佳，牧草大多长得矮小枯黄，但奇怪的是有一块牧草却长得十分茂盛，远远看去，就像沙漠中的绿洲一样。什么原因呢？经过仔细分析，原来这块绿洲的附近，有一个铜矿工厂，许多抄近路走的工人，常常从这里走过，工人皮靴下沾着许多铜矿粉，也就大量地留在这个地方，于是这里就长出了绿茵茵的一片牧草。这个事实清楚地告诉我们，微量元素在生物的生长过程中，能起到“维生素”的作用。 研究表明，生物体中仅仅有占两万分之一以下的微量元素，常常与生物体内各种主要酶的活动有极为密切的关系，而各种酶又是机体基本代谢活动的支持者，所以说，如果酶的组成部分发生变化，生物体内的正常活动就会失调，进而会引起各种疾病。 微量元素与人体的构造有密切的关系。 如果某些地区由于水分或土壤中缺少碘，则当地的许多居民就会产生一种“粗脖子”病。在过去，人们常把这种现象和霍乱、伤寒、猩红热等疾病联系在一起，当作传染病看待。随着人们对微量元素的逐步认识，这个谜终于揭开了。给病人服用一些食盐并加上几千分之一的碘化钾，就可以很快战胜这种疾病了。 称碘为“大哥”的溴，对人体和动物机体中的血液、脑和肾脏的工作，起着很大的作用。如果它的含量减少，则人体和动物的神经系统就会出现故障。 钴、锰和铜等元素，也是人体中非常重要的一些微量元素。 食盐中的金属部分——钠，是探索神经记忆奥妙的关键部分。 研究还表明，由于生物体内各种机体具有不同的构造和功能，所以机体中各部分微量元素的含量，也不完全一致。例如在动物的有机体中，锂主要集中在肺里，镍主要集中在胰腺里，铜主要集中在脑子里，钡主要集中在眼睛的视网膜里，锡主要集中在舌头的粘膜里…… 血液由于是机体各部分营养物质的来源，所以里面含有三十多种微量元素。因为肝脏是血液的制造者之一，研究测定，肝脏里面含有更多的微量元素，它几乎“蕴藏”着门捷列夫周期表中的所有元素。 化学仿生研究前景展望 生物体是一个大然的、规模巨大的“化学工厂”。这个天然的“化学工厂”里面存在着无穷无尽的奥妙，等待着我们去发掘和利用，这就是仿生学在化学领域中面临着的一个艰巨任务。但由于任务面广量大，且非常艰巨，所以对于化学仿生，目前研究得比较多的，仅局限在以下几个方面： 第一方面，是利用人工的方法，按照天然物质的结构形式，合成许多重要的物质，如生物碱、维生素、激素和抗生素、蛋白质，甚至核酸片段。或者对天然物质的部分结构加以改造，合成更有生物活性的物质，如按照某些蛾类性引诱剂的结构，合成一种可以消灭害虫的农药。 第二个方面是借用个别生化反应的机制，来改进人工合成的技术。如在新陈代谢过程中起重要作用的氢可的松。虽说人工可合成这种物质，已有很多年的历史了，但步骤繁多，可一些微生物活细胞却能轻而易举地完成这项任务。 第三方面是借用整个生物合成的路线来扩大人工合成的物质。如目前得到广泛应用的人工橡胶，可以用来加速食用酵母生长的全合成脱硫生物素，以及能耐受4000℃高温、性能无与伦比的树脂等等。 第四方面是酶的模拟。酶的应用，我国最早，可以追溯到远古的时代。酶在公元前22世纪的夏禹时代，就已经用于酿酒。约在战国以前，就已经利用淀粉酶水解来制造饴糖。利用酶来控制疾病，在我国也很普遍，如中药里的陈曲，就是一种非常重要的药剂，特别是在治疗胃病时常常用到它。 酶也叫酵素，是构成机体细胞与组织的一种特殊蛋白质，分子量很大，遇到 60—70℃的温度时就会失去活性。它也是生物合成中用的蛋白质催化剂。它和化学工业中应用的无机催化剂相比，具有高效专一、条件温和、不促进新的反应、在反应过程中也不会被消耗等等的特点。 |
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