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液晶态,负熵与癌

已有 4709 次阅读 2011-9-5 01:36 |系统分类:科研笔记| 负熵, 液晶态

        多数纯化后的生物大分子在一定浓度、温度、离子强度、酸碱度等条件下向体系能量最低的方向转化,在空间作三维周期性的规则排列形成晶体。正是蛋白质的α螺旋,DNA双螺旋等自然界精美的艺术品般有趣的晶体结构吸引和鼓舞着人们开启了分子生物学的大门,克里克和沃森当年就是受诺贝尔物理学奖获得者薛定谔在《生命是什么?》一书中关于遗传物质的“非周期性晶体(nonperiodic crystalline)”设想启发,从而发现了DNA的双螺旋结构。

        自然条件下,生命体中的蛋白质、核酸、多糖、脂类等能够通过自组装(self-assembly)而呈现液晶态(liquid crystalline state)。液晶态是一种即具有液体的流动性和连续性,而其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式的特殊物质态,生物大分子的液晶行为与细胞和组织功能的表达有关。

        生命系统中液晶态结构普遍存在,如细胞及细胞核、线粒体、高尔基体、液体泡和内质网都被一层液晶态的生物膜所包裹。由于生物液晶态特殊的微观结构,沿晶格的不同方向原子排列、化学键、离子键、疏水键、分子间作用力等的周期性和疏密程度不尽相同,导致生物液晶态结构在不同方向的物理、化学和生物特性的各向异性(anisotropy)。

        由此可以推测细胞器、细胞质、细胞外基质均是由不同生物大分子通过自组装形成液晶结构组成,生命的基本单位细胞就是由不同的液晶结构组成的复杂体系(complex system)——“非周期性液晶结构(nonperiodic liquid crystalline construction)”。进一步,我们还可以把生物组织(tissue)理解为由类似的细胞通过自组织(self-organizing)形成的“非周期性液晶”结构。依次类推,生命个体就可以解释为由生物大分子层面、细胞器层面、细胞层面、组织层面、器官层面、系统层面的“非周期性液晶结构”组成的超级复杂体系。

        薛定谔设想遗传物质“非周期性晶体”中可以蕴含着巨量的信息在DNA双螺旋结构中得到了充分证实,另一方面,人们发现液晶态对外界的力、热、声、电、光、磁等物理环境等性能的变化十分敏感。那么,生命体中各层次“非周期性液晶结构”组成的复杂体系不但蕴含巨量的信息,还可以完成对物质流、信息流和能量流的有序组织,由此可以解释生命所呈现的信号传递、应激反应、新陈代谢、组织发生等许多奇妙的现象。

        生物体是一种远离平衡态的耗散结构(dissipative structure),物理学采用“熵(entropy)”来描述系统的无序化或有序化程度,熵值减少就意味着系统的从外界输入“负熵(negentropy)”可抵消系统的熵值增长,从而维持和发展系统的有序化。生物体的“非周期性液晶结构”是一个低熵状态,这种状态的形成和维持需要从不断环境摄取负熵,

        生命活动使体内微环境(microenvironment)处在动态过程中,机体细胞“非周期性液晶结构”对微环境中物理、化学和生物因素的变化反应十分敏感,当环境因素变化超过一定的阈值(threshold)就会引起液晶结构相变(phase transition),从而丧失对微环境信号的响应,破坏“非周期性液晶”有序结构造成熵增加。研究发现癌细胞生物膜的液晶相变可以使膜的各向异性有序结构转变为各向同性(isotropy)无序化排列,细胞膜的平滑特性也转变为凹凸不平的毛茸状态,使细胞间的相互作用减弱,从而破坏了细胞间接触抑制的调节机能。

        薛定谔认为“一个生命体要摆脱死亡,也就是说要活着,其唯一办法是不断地从环境中吸取负熵”。癌变是一个自发过程(spontaneous process),当癌细胞摆脱组织的控制成为自主生存的个体就需要建立自己的“非周期性液晶结构”,转变为寄生生存方式,从宿主内环境中汲取负熵,造成系统整体的熵增加。
 
     液晶态并非生物体系的局部结构,个人以为:

    1.  液晶态是健康生物体的基本结构,存在于一切组织中,如脑、血液、肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经组织等均为液晶结构;

    2.  液晶态决定一切生命现象,如新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等;

    3.  液晶态的相变决定了一切疾病的发生,如动脉粥硬化、镰刀细胞贫血症、胆结石、肾结石发生了液晶物质聚集沉淀、固体结晶析出等,癌细胞类脂相及凝集素蛋白质的液晶相变引起接触抑制消失、细胞融合等。

    4. 生命与非生命的根本区别在于“非周期性液晶结构”,决定了生命复杂体系的高度有序性。

     生命体的“有序化=非周期性液晶结构=巨量信息=负熵”,熵增意味“非周期性液晶结构”的破坏,意味着病变、衰老和死亡。

        cancer resulted from disturbance of biological liquid crystalline state of ECM
 
 


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