化學研究中的化學和生物學方法的相互移植
化學先生 / 2019-08-17
化學的原理 、概念和方法(其中不少是從物理學移植來的)向生物學的移植，最明顯地表現(xiàn)在生物化學的產(chǎn)生和發(fā)展中。從一定的意義上說，生物化學的產(chǎn)生和發(fā)展幾乎都是以化學概念、原理和方法移入生物學為標志的。在19世紀中葉以前，以生物體內(nèi)產(chǎn)生有機物為研究對象的動物化學和植物化學取得了一些研究成果。從19世紀中葉開始，由于有機化學結(jié)構(gòu)理論(即經(jīng)典價鍵理論)的建立，化學向生物學的移植趨勢得到加強以致德國化學家霍佩賽萊(F. Hoppe Seyler, 1825 ~1895)于1877年提出了“生物化學”的概念。1897 年，布希納(E Buchner. 1860~ 1917)從活細胞中分離提取出酶(采用的分離、提取方法就是從化學移植到生物學中去的)，使生物化學進人了以研究生物體內(nèi)新陳代謝為中心內(nèi)容的新階段。而20世紀50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型的建立(探討這種化學結(jié)構(gòu)的方法得益于化學向生物學的移植),既標志著分子生物學的誕生，又成為生物化學發(fā)展到更新階段的轉(zhuǎn)折點?；艘院?，生物大分于的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系成為生物化學研究的中心內(nèi)容。
化學方法向生物學的移植是相當廣泛的.除了傳統(tǒng)的無機化學、分析化學,特別是有機化學方法向生物學移植外，作為化學和物理學邊緣學科的化學熱力學、化學動力學及量子化學等的方法也向生物學移植。目前，在分子生物學研究中已把對某些物理化學原理的討論作為其基礎性的內(nèi)容。所謂“某些物理化學原理”，如:質(zhì)量作用定律化學平衡、勒夏特列原理、水的電離與pH緩沖作用、緩沖液、氫鍵、無序性增加定律(即嫡增加原理)、擴散和滲透、復雜性研究、耗散結(jié)構(gòu)等。至于量子化學方法向生物學的移植更是迅速和日益廣泛。從歷史發(fā)展過程來看.量子化學方法向生物學的移植大體經(jīng)歷了如下兒個階段: 1957~ 1963年，HMO法在生物化學中的應用1963-1972年,全價電子和全部電子的量子力學計算:1973年到現(xiàn)在，生物大分于的整體計算和溶劑效應超分子模型的提出。此外,20 世紀60年代以后，量子化學家還用HMO法計算了ATP的作用生物大分子的構(gòu)象和分子活性、酶催化反應的機理等。
同物理學方法向化學方法的移植比較，化學方法向生物學的移植更具有實用性。對生物學研究來說，化學好比是個工具庫:化學方法向生物學移植，首先是為了滿足生物學的需要。生命運動的復雜性使生物學研究必須依賴物理學、化學等學科的成果(包括它們的一些草有成效的方法)。應該看到，充分利用不斷進展著的化學和物理學的成就來探討生物學問題，是20世紀乃至21世紀生物學研究的指導思想之一:這方面已經(jīng)取得的成就，足以鼓舞人們有信心“沿著這條思路去進- -步探索生命的奧秘”。
此外，化學雖然因接受物理學提供的移植對象而增加了自身的理論性，但從總體上看，化學還是一門經(jīng)驗性很強的學科。正是由于上述兒方面的情況，所以化學主要是為生物學提供了工具性的移植對象，而沒有提供公理性的理論框架。如果說化學作為“受 系”而接受了物理學提供的形式化的論證性語言，那么，化學作為“供系”則為生物學提供了形象化的描述性語言。對生物化學而言，如果沒有化學提供的分子式和結(jié)構(gòu)式的描述方式，就無法進行蛋白質(zhì)、核酸等大分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究:如果沒有化學提供的反應的化學方程式的表示方法，則新陳代謝途徑和酶促反應機理等的研究就難以進行。而分子式、結(jié)構(gòu)式和化學方程式等主要是形象化的描述性語言，它們不像內(nèi)能培嫡、自由能波函數(shù)等狀態(tài)函數(shù)那樣具有演繹推理的功能(雖然狀態(tài)函數(shù)已被移人生物學中,但主要是用于計算，而不是用于推理):因此，作為化學與生物學相結(jié)合而產(chǎn)生的生物化學，若從整體上考察，它主要是一個實用性的分類系統(tǒng)，而不是公理性的理論系統(tǒng)。這個特征雖然很突出，但學者們的認識并不統(tǒng)一。
化學與其他學科之間存在著相互移植:化學既可以作為受系而接受其他學科提供的移植對象，也可以作為供系而為其他學科提供移植對象。這表明:生物學的概念、原理陽方法向化學領城移植有其邏輯上的根據(jù)。此外，這種移植還有其本體論的基礎，那就是:化學運動和生命運動作為低級運動和高級運動的兩種基本形式，存在著相互轉(zhuǎn)化的可能性:而且，作為高級運動形式的生命運動，必然包含著作為低級運動形式的化學運動。這就提示人們，如果我們越是深人地研究作為高緩運動形式的生命運動.那么從中取科的成果(它主要體現(xiàn)在生物學的概念原理和方法上)也必將有助于指導較為低級的物質(zhì)運動形式(如化學運動)的研究。生物學的概念、原理和方法是然對于化學來說具有一定的方法論意義。實際情況也是如此。何如，生物有機體的“整體"概念引人化學后，對反應體系的研究和化學工程的設計頗有啟迪。又如，通過對生命運動中基礎物質(zhì)的研究(如蛋白質(zhì)、核酸等)而得到的規(guī)律性認識，又可以進一步加深對化學運動自身(尤其是高分子物質(zhì)的化學運動)的認識。再如，借助模擬法將生物體系內(nèi)的結(jié)構(gòu)功能的原理及機制移入化學,從面加深對化學組成結(jié)構(gòu)和性能以及化學反應中物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的認識，進而豐富和發(fā)展有關(guān)化學結(jié)構(gòu)理論及化學反應原理。這一點突出地體現(xiàn)在模擬酶催化上，既可以上億信地提高化學催化劑的效率，同時又促進了化學鍵理論的發(fā)展?；瘜W模擬生物固氮就是一個典型例子。模擬生物膜，可以使化學實驗和化工生產(chǎn)中的一切分離手段相形見絀;模擬光合作用機制，可以實現(xiàn)用化學方法進行最有效的能量貯存轉(zhuǎn)化等?？梢姡诨瘜W的不少領域中都留下了生物學滲透的痕跡，化學從生物學汲取了不少新概念和新方法。但是，我們應該充分估計到，生物學向化學的移植,無論在概念與原理上，還是在研究方法上，都沒有達到像物理學向化學移植那樣的深度和廣度,不過有一點可以肯定,無論哪個領域和哪方面的專家，都應向其他專業(yè)的專家學習，這是科學-體化的需 要，也是每門學科發(fā)展的需要。
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