形容一個(gè)女性美有許多詞匯,其中就有沉靜和含蓄。徐緩優(yōu)雅的姿態(tài),從容不迫的舉止,是中國(guó)古代女性美的重要特征之一。
也許你沒(méi)有想到,在安靜的美女的細(xì)胞里,卻完全是另一番景象。里面的分子紛擾和喧囂到難以置信的程度。要是美女能“看見(jiàn)”自己細(xì)胞內(nèi)分子的激烈運(yùn)動(dòng),她自己也許會(huì)嚇一大跳。
我們都知道,人的體溫是37度。但這是攝氏37度,是在一個(gè)大氣壓下以水的冰點(diǎn)為零度和沸點(diǎn)為100度來(lái)定義的,所以只是一個(gè)相對(duì)值。要是說(shuō)人的體溫是310度,那就有點(diǎn)嚇人了。但如果是從溫度的絕對(duì)度量上來(lái)看,人的體溫真的就是310度。
現(xiàn)在我們知道,溫度是微觀粒子運(yùn)動(dòng)程度的量度,包括分子的移動(dòng),旋轉(zhuǎn),和振動(dòng)。溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)越激烈。這些微觀粒子可以是分子,也可以是比分子大的顆粒如病毒,也可以是比分子小的基本粒子。
分子的熱運(yùn)動(dòng)隨著溫度降低而降低。到熱運(yùn)動(dòng)完全停止時(shí),那時(shí)的溫度就是絕對(duì)零度,與物質(zhì)的種類無(wú)關(guān),所以是一個(gè)客觀的指標(biāo)。用這個(gè)零度為標(biāo)準(zhǔn)的溫標(biāo)叫絕對(duì)溫標(biāo),也叫克氏溫標(biāo),是以Kelvin(William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824-1907,英國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家)名字命名的。
相對(duì)于攝氏溫標(biāo),絕對(duì)零度就是攝氏零下273.16度。這是我們這個(gè)宇宙里(也許還有其它的宇宙)能夠到達(dá)的最低的溫度。有人聽(tīng)見(jiàn)星球內(nèi)部的溫度可以高達(dá)幾十萬(wàn)度,就用“零下一萬(wàn)度”來(lái)形容有多冷,其實(shí)是不懂得冷的意義。
克氏溫標(biāo)的一度等同于攝氏溫標(biāo)的一度,那37度的攝氏體溫?fù)Q算成絕對(duì)溫標(biāo)就是310度。這才是分子運(yùn)動(dòng)程度的真正量度。
310度的絕對(duì)溫度是人的正常體溫,對(duì)人總體來(lái)說(shuō)好像沒(méi)有什么,在分子水平可熱鬧了。因?yàn)榉肿雍苄?,在這個(gè)溫度下它們的運(yùn)動(dòng)激烈到難以想象的程度。
比如在體溫下,水分子的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每秒694米,比波音飛機(jī)的速度還快3倍以上。復(fù)雜一些的分子質(zhì)量也較大,而總的運(yùn)動(dòng)能量和小分子一樣,運(yùn)動(dòng)速度自然較慢。像葡萄糖的分子(分子量180)比水分子(分子量18)大10倍,它的運(yùn)動(dòng)速度就是每秒236米。但即使分子量100萬(wàn)的蛋白分子,每秒鐘也能跑2.6米。在直徑10微米的人的肝細(xì)胞中,它一秒鐘能跑13萬(wàn)個(gè)來(lái)回。頭都想暈了也想象不出它實(shí)際跑動(dòng)的情形。當(dāng)然它不是真的這樣來(lái)回跑,而是和細(xì)胞里的其它分子以極高的頻率相互碰撞。
就是病毒,假如它的“分子量”是100億,也能每秒跑2.6厘米,也就是每秒能在細(xì)胞內(nèi)跑1300個(gè)來(lái)回,如果不被其它分子所阻攔的話。
所以在細(xì)胞內(nèi)部的分子水平,這位美女里面的情形看上去完全是另外一番景象,紛擾到難以想象的地步。什么優(yōu)雅,徐緩,沉靜,統(tǒng)統(tǒng)都不見(jiàn)了。
但正是這樣的亂糟糟,才使得這位美女成為美女。才使她外表的沉靜成為可能。也就是說(shuō),分子的這種激烈的運(yùn)動(dòng)正是生命存在的前提。沒(méi)有分子這樣快速的運(yùn)動(dòng)和碰撞,任何生命都不可能。 比如說(shuō),大腸桿菌在適宜的條件下,每20分鐘可以繁殖一代。在一個(gè)細(xì)胞分裂成兩個(gè)細(xì)胞之前,它的DNA必須要復(fù)制一份。大腸桿菌的DNA有4,639,221個(gè)堿基對(duì)。也就是大約四百六十萬(wàn)堿基對(duì)。要在20分鐘里復(fù)制這個(gè)DNA,每秒鐘就要復(fù)制近4000個(gè)堿基對(duì)。就算DNA的復(fù)制是從一點(diǎn)開(kāi)始,向兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行的,那每秒鐘也要復(fù)制近2000個(gè)堿基對(duì)。
DNA是由四種不同的核苷酸線性相連組成的。要把不同的核苷酸按一定的順序加上去,就需要正確的核苷酸靠碰撞到達(dá)合成新DNA的地點(diǎn)。但是細(xì)胞里并沒(méi)有一個(gè)交通警察來(lái)指揮,每次只讓所需的核苷酸通過(guò),而是四種核苷酸都有同樣的機(jī)會(huì),隨機(jī)地亂碰。這樣每次只有四分之一的機(jī)會(huì)有合適的核苷酸到達(dá)。而且每次碰撞中,分子的方向也是隨機(jī)的,只有少數(shù)具有正確的方向。再加上細(xì)胞里的其它分子也在那里亂撞,干擾正確的核苷酸到達(dá)反應(yīng)位置。所以核苷酸必須以比每秒8000次高得多的頻率去碰撞,才能滿足大腸桿菌繁殖的需要。
蛋白的合成就更難了。與核酸只有四種構(gòu)造單位不同,蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸組成的。這20種氨基酸也是在那里隨機(jī)亂碰,所以正確的碰撞機(jī)會(huì)只有二十分之一,而且許多還是無(wú)效碰撞。因此蛋白合成的速度也相應(yīng)地較慢。在大腸桿菌中,每個(gè)核糖體(合成蛋白質(zhì)的分子團(tuán))每秒鐘只能加上18個(gè)氨基酸。要是分子運(yùn)動(dòng)再慢一些,生命活動(dòng)就不能維持了。
當(dāng)然細(xì)胞也不是簡(jiǎn)單的一包水溶液。不同分子的相互作用也會(huì)形成各種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),組成各種細(xì)胞器和細(xì)胞“骨骼”,把細(xì)胞分隔成許多區(qū)間。但細(xì)胞最主要,最基本的活動(dòng),即化學(xué)反應(yīng)和信息傳遞,都需要反應(yīng)物分子和信息分子的激烈運(yùn)動(dòng)。
所以就是最低等的生物,也需要克氏280度以上才能有效地生活和生長(zhǎng)。這不僅是因?yàn)樯顒?dòng)需要液體水的環(huán)境(克氏273度),也是因?yàn)樗鼈冃枰肿拥倪\(yùn)動(dòng)到達(dá)相當(dāng)激烈的程度才能滿足細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的需要。
人作為高等生物,更需要克氏310度的溫度,才能維持各種復(fù)雜的生理活動(dòng)的需要。因?yàn)闇囟雀吡耍肿舆\(yùn)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)的速率才能更快。比如人體一天需要大約2000大卡的能量才能維持身體的正?;顒?dòng)。我們身體內(nèi)各種需要能量的活動(dòng)大多數(shù)是由“能量通貨”,三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate,簡(jiǎn)稱ATP)來(lái)提供能量的。成人一天要分解大約60公斤,即相當(dāng)于我們體重的ATP,才能滿足身體的各項(xiàng)生理活動(dòng)的需要。而人體內(nèi)ATP的總量也就50克左右,也就是每個(gè)ATP分子每天要被分解和再合成1000次以上。 沒(méi)有克式310度的體溫,就產(chǎn)生不了這么多的ATP。
神奇的是,細(xì)胞內(nèi)成千上萬(wàn)種分子能在這樣的激烈運(yùn)動(dòng)和相互作用中,準(zhǔn)確地完成細(xì)胞的各種功能,并且對(duì)環(huán)境的變化做出精確的反應(yīng)。
從一個(gè)受精卵發(fā)育成一個(gè)完整的人,中間要經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的細(xì)胞分裂和分化,每次都需要分子這樣激烈的運(yùn)動(dòng)。但正是這種看似雜亂無(wú)序,紛擾喧囂的分子運(yùn)動(dòng)中,靠不同分子自身的特點(diǎn),又完成了分子之間正確的相互作用,使得這個(gè)過(guò)程能夠精密地進(jìn)行。幾乎每個(gè)受精卵都能發(fā)育成完美的人體結(jié)構(gòu),就連不同手指的相對(duì)長(zhǎng)度都控制得那么精確。從分子運(yùn)動(dòng)的激烈和無(wú)序來(lái)看,這真是一個(gè)奇跡,是地球上的生命所產(chǎn)生的奇跡。這是從混亂無(wú)序中產(chǎn)生高度有序的最好的例子。