糯米txt论坛☆+100仿生学-第4章

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；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。
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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
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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
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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
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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