化學(xué)研究中的化學(xué)和生物學(xué)方法的相互移植
化學(xué)先生 / 2019-08-17
化學(xué)的原理 、概念和方法(其中不少是從物理學(xué)移植來(lái)的)向生物學(xué)的移植，最明顯地表現(xiàn)在生物化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展中。從一定的意義上說(shuō)，生物化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展幾乎都是以化學(xué)概念、原理和方法移入生物學(xué)為標(biāo)志的。在19世紀(jì)中葉以前，以生物體內(nèi)產(chǎn)生有機(jī)物為研究對(duì)象的動(dòng)物化學(xué)和植物化學(xué)取得了一些研究成果。從19世紀(jì)中葉開(kāi)始，由于有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論(即經(jīng)典價(jià)鍵理論)的建立，化學(xué)向生物學(xué)的移植趨勢(shì)得到加強(qiáng)以致德國(guó)化學(xué)家霍佩賽萊(F. Hoppe Seyler, 1825 ~1895)于1877年提出了“生物化學(xué)”的概念。1897 年，布希納(E Buchner. 1860~ 1917)從活細(xì)胞中分離提取出酶(采用的分離、提取方法就是從化學(xué)移植到生物學(xué)中去的)，使生物化學(xué)進(jìn)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(jì)50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型的建立(探討這種化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法得益于化學(xué)向生物學(xué)的移植),既標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生，又成為生物化學(xué)發(fā)展到更新階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?；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(xué)研究的中心內(nèi)容。
化學(xué)方法向生物學(xué)的移植是相當(dāng)廣泛的.除了傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué),特別是有機(jī)化學(xué)方法向生物學(xué)移植外，作為化學(xué)和物理學(xué)邊緣學(xué)科的化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)及量子化學(xué)等的方法也向生物學(xué)移植。目前，在分子生物學(xué)研究中已把對(duì)某些物理化學(xué)原理的討論作為其基礎(chǔ)性的內(nèi)容。所謂“某些物理化學(xué)原理”，如:質(zhì)量作用定律化學(xué)平衡、勒夏特列原理、水的電離與pH緩沖作用、緩沖液、氫鍵、無(wú)序性增加定律(即嫡增加原理)、擴(kuò)散和滲透、復(fù)雜性研究、耗散結(jié)構(gòu)等。至于量子化學(xué)方法向生物學(xué)的移植更是迅速和日益廣泛。從歷史發(fā)展過(guò)程來(lái)看.量子化學(xué)方法向生物學(xué)的移植大體經(jīng)歷了如下兒個(gè)階段: 1957~ 1963年，HMO法在生物化學(xué)中的應(yīng)用1963-1972年,全價(jià)電子和全部電子的量子力學(xué)計(jì)算:1973年到現(xiàn)在，生物大分于的整體計(jì)算和溶劑效應(yīng)超分子模型的提出。此外,20 世紀(jì)60年代以后，量子化學(xué)家還用HMO法計(jì)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(yīng)的機(jī)理等。
同物理學(xué)方法向化學(xué)方法的移植比較，化學(xué)方法向生物學(xué)的移植更具有實(shí)用性。對(duì)生物學(xué)研究來(lái)說(shuō)，化學(xué)好比是個(gè)工具庫(kù):化學(xué)方法向生物學(xué)移植，首先是為了滿足生物學(xué)的需要。生命運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性使生物學(xué)研究必須依賴物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的成果(包括它們的一些草有成效的方法)。應(yīng)該看到，充分利用不斷進(jìn)展著的化學(xué)和物理學(xué)的成就來(lái)探討生物學(xué)問(wèn)題，是20世紀(jì)乃至21世紀(jì)生物學(xué)研究的指導(dǎo)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(jìn)- -步探索生命的奧秘”。
此外，化學(xué)雖然因接受物理學(xué)提供的移植對(duì)象而增加了自身的理論性，但從總體上看，化學(xué)還是一門經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科。正是由于上述兒方面的情況，所以化學(xué)主要是為生物學(xué)提供了工具性的移植對(duì)象，而沒(méi)有提供公理性的理論框架。如果說(shuō)化學(xué)作為“受 系”而接受了物理學(xué)提供的形式化的論證性語(yǔ)言，那么，化學(xué)作為“供系”則為生物學(xué)提供了形象化的描述性語(yǔ)言。對(duì)生物化學(xué)而言，如果沒(méi)有化學(xué)提供的分子式和結(jié)構(gòu)式的描述方式，就無(wú)法進(jìn)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(méi)有化學(xué)提供的反應(yīng)的化學(xué)方程式的表示方法，則新陳代謝途徑和酶促反應(yīng)機(jī)理等的研究就難以進(jìn)行。而分子式、結(jié)構(gòu)式和化學(xué)方程式等主要是形象化的描述性語(yǔ)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(xué)中,但主要是用于計(jì)算，而不是用于推理):因此，作為化學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的生物化學(xué)，若從整體上考察，它主要是一個(gè)實(shí)用性的分類系統(tǒng)，而不是公理性的理論系統(tǒng)。這個(gè)特征雖然很突出，但學(xué)者們的認(rèn)識(shí)并不統(tǒng)一。
化學(xué)與其他學(xué)科之間存在著相互移植:化學(xué)既可以作為受系而接受其他學(xué)科提供的移植對(duì)象，也可以作為供系而為其他學(xué)科提供移植對(duì)象。這表明:生物學(xué)的概念、原理陽(yáng)方法向化學(xué)領(lǐng)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(chǔ)，那就是:化學(xué)運(yùn)動(dòng)和生命運(yùn)動(dòng)作為低級(jí)運(yùn)動(dòng)和高級(jí)運(yùn)動(dòng)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(jí)運(yùn)動(dòng)形式的生命運(yùn)動(dòng)，必然包含著作為低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的化學(xué)運(yùn)動(dòng)。這就提示人們，如果我們?cè)绞巧钊说匮芯孔鳛楦呔忂\(yùn)動(dòng)形式的生命運(yùn)動(dòng).那么從中取科的成果(它主要體現(xiàn)在生物學(xué)的概念原理和方法上)也必將有助于指導(dǎo)較為低級(jí)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式(如化學(xué)運(yùn)動(dòng))的研究。生物學(xué)的概念、原理和方法是然對(duì)于化學(xué)來(lái)說(shuō)具有一定的方法論意義。實(shí)際情況也是如此。何如，生物有機(jī)體的“整體"概念引人化學(xué)后，對(duì)反應(yīng)體系的研究和化學(xué)工程的設(shè)計(jì)頗有啟迪。又如，通過(guò)對(duì)生命運(yùn)動(dòng)中基礎(chǔ)物質(zhì)的研究(如蛋白質(zhì)、核酸等)而得到的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，又可以進(jìn)一步加深對(duì)化學(xué)運(yùn)動(dòng)自身(尤其是高分子物質(zhì)的化學(xué)運(yùn)動(dòng))的認(rèn)識(shí)。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(jī)制移入化學(xué),從面加深對(duì)化學(xué)組成結(jié)構(gòu)和性能以及化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而豐富和發(fā)展有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論及化學(xué)反應(yīng)原理。這一點(diǎn)突出地體現(xiàn)在模擬酶催化上，既可以上億信地提高化學(xué)催化劑的效率，同時(shí)又促進(jìn)了化學(xué)鍵理論的發(fā)展。化學(xué)模擬生物固氮就是一個(gè)典型例子。模擬生物膜，可以使化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化工生產(chǎn)中的一切分離手段相形見(jiàn)絀;模擬光合作用機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)用化學(xué)方法進(jìn)行最有效的能量貯存轉(zhuǎn)化等?？梢?jiàn)，在化學(xué)的不少領(lǐng)域中都留下了生物學(xué)滲透的痕跡，化學(xué)從生物學(xué)汲取了不少新概念和新方法。但是，我們應(yīng)該充分估計(jì)到，生物學(xué)向化學(xué)的移植,無(wú)論在概念與原理上，還是在研究方法上，都沒(méi)有達(dá)到像物理學(xué)向化學(xué)移植那樣的深度和廣度,不過(guò)有一點(diǎn)可以肯定,無(wú)論哪個(gè)領(lǐng)域和哪方面的專家，都應(yīng)向其他專業(yè)的專家學(xué)習(xí)，這是科學(xué)-體化的需 要，也是每門學(xué)科發(fā)展的需要。
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