請勿用於盈利之目的 物理学与其他科学的关系 §3-1引言 物理学是最基本的包罗万象的一门学科,它对整个科学的发展有深远的影响事实上 物理学是与过去所谓的“自然哲学”相当的现代名称,现代科学大多数就是从自然哲学中产 生的,许多领域内的学生都发现自己正在学习物理学,这是因为它在所有的现象中起着基 本的作用.在本章中我们试图说明其他科学中的基本问题是什么,当然,在这么一点篇幅内 要真正地处理这些领域中的复杂精致而美妙的事情是不可能的.正因为篇幅较少使我们 不能讨论物理学与工程、工业、社会和战争之间的关系,甚至不能讨论数学与物理之间的最 令人注目的关系,(按照我们的观点,从数学不是一门自然科学这个意义上来说,它不是 门科学.它的正确性不是用实验来检验的,)顺便提一下,我们必领从一开始就说瀆楚:如果 件事情不是科学,这并不一定不好.例如爱好就不是科学.所以,如果说某件事不是科 学这并不意味着其中有什么错误的地方;这只是意味着它不是科学而已 3-2化学 也许受物理学影响最深的科学就是化学了,在历史上,早期的化学几乎完全讨论那些现 在称为无机化学的内容,即讨论那些与生命体不发生联系的物质.人们曾经进行了大景的 分析才发现许多元素的存在以及它们之间的关系一一即它们是怎样组成在矿石、土壤里所 发现的简单化合物的,等等.早期的化学对于物理学是很重要的.这两门科学间的相互影 响非常大,因为原子的理论在很大程度上是亩化学实验来证实的,化学的理论,即化学反应 本身的理论,在很大程度上总结在门捷列夫周期表里,周期表体现了各种元素之间的许多奇 特的联系,它汇总了有关的规则哪一种物质可以与哪一种物质化合,怎样化合,等等,这些 就组成了无机化学.原则上,所有这些规则最终可以从量子力学得到解释,所以理论化学实 际上就是物理。但是,必须强调的是,这种解释只是原则上的.我们已经讨论过了解下棋规 则与擅长下棋之间的差别.也就是说我们可能知道有关的规则,但是下得不很好.我们知 道精确地预言某个化学反应中会出现什么情况是十分困难的;然而,理论化学的最深刻部 分必定会归结到量子力学, 还有一门由物理学与化学共同发展起来的极其重要的分支,这就是把统计学的方法应 用于力学定律起作用的场合这被恰当地称之为统计力学.在任何化学状态中都要涉及大 量的原子,我们已经看到原子总是以复杂而毫无规则的方式不停地晃动.假如我们能够分 析每一次碰撞,并且跟踪每一个分子的运动细节的话,就能判断出将会发生一些什么,但是 要记录所有这些分子就需要许许多多数据,这远远超过了任何计算机的容量,当然也一定超 过人脑的容量,所以为了处理这样复杂的情况,重要的是要采取一种有效的方法,统计力学 就是关于热现象或热力学的理论.作为一门]科骅,无机化学现在基本上已归结为所谓物理 化学和量子化学;物理化学研究反应率和所发生的详细变化(分子间如何碰撞?哪一些分子
請 勿 用 於 盈 利 之 目 的
费曼物理学讲义(第一卷) 請勿用 先飞离?等等),而量子化学则帮助我们根据物理定律来理解所发生的事 化学的另一个分支是有机化学,它研究与生命体有关的物质.人们曾一度相信与生命 於 有关的物质是如此神秘,因此不可能用我们的手从无机材料中制造出这种物质.这根本不 对一—它们与无机化学中制成的物质完全一样,只是包括了更复杂的原子排列,很明显,有 机化学与提供有机物质的生物学之间有十分密切的关系,与工业也有密切的联系,而且许多 利 物理化学和量子化学的定律不仅适于无机化合物的情况,而且也适用于有机化合物.然 ∠而,有机化学的主要任务并不在于这些方面,而是在于分析、综合那些在生物系统以及在生 命体中所形成的物质,这样就不知不觉地逐步引向了生物化学然后是生物学本身或分子 生物学 §3-3生物学 我们就这样进入了生物学,它研究的是先命体,在生物学发展的早期,生物学家必须进 行单纯的说明性工作—找出有哪些生物,所以他们要数数跳蚤足上的细毛之类的东西当 他们以很大的兴趣完成这种工作后,就进而考虑在生命体内部的机制问题,起先自然是从十 分粗略的观点出发的因为要知道更详细的情泥是需要经过一番努力的 在物理学与生物学的早期关系中有过一件很有趣的事,生物学曾经帮助物理学发现了 能量守恒定律,梅耶( Mayer)最先在关于生物吸收和放出的热量问题上证实了这条定律. 假如我们更仔细地观察动物的生物学过程,就会看到许多物理现象:血液的循环、心的 跳动血压等等.这里还有神经如果我们踝在一块尖锐的岩石上就会知道发生了什么事情 这个信息不知怎么地就从我们的脚底传递上来,有趣的是这个信息是怎样传递的.在研究 神经时,生物学家得到了这样的结论:神经是非常精细的小管道,有十分薄而复杂的管壁;细 胞通过这样的管壁吸进离子,所以在外面有正离子,而在里面则有负离子,就象一个电容器 样.这层薄膜还有一个有趣的性质;如果它在某个地方电”即一些离子能够通过这个 地方,那么该处的电压就减少它会影响到邻近地方的离子,而这又会影响那里的薄膜,使它 也让离子通过.接着这又要影响更远的薄膜,等等,于是在薄膜中就出现一列“穿透性变动 波,当神经末梢的一端由于碰到尖锐的岩石而受到刺激”后,这种波就沿着神经传开来,它 有点象一长列垂直放置的多米诺骨牌;如果末端的一个被推倒,邻近的一个也就被它带动 等等.当然,除非把多米诺牌再重新排好,不然,这时只有一个信息传递过去;类似地在神 经元里,也有排出离子的缓慢过程,使神经又处于准备接收下一个脉冲的状态.这就是为 什么我们会知道正在做什么(或者至少知道我们在哪里).当然我们可以用电子仪器测出这 种与神经冲动有关的电的效应,因为这里存在着电的作用,十分明显,电效应的物理知识对 理解这个现象很起作用, 相反的效应是从大脑中某个地方沿着神经发生一个信息.这时在神经的末梢会出现什 么情况呢?神经在末梢处分成了细微的小纤维,这些小纤维与肌肉附近的一种称为端板的结 构相连接由于一些现在还不完全理解的原因当脉冲信号抵达神经末梢后射出一小团一小 团称为乙酰胆碱的化学物质(每次约5到10个分子)它们影响了肌肉纤维而使其收缩 这一切多么简单!什么东西使肌肉会发生收缩呢?肌肉是由极多的彼此紧贴的纤维所组成 的,它含有两种不同的物质:肌球蛋白和肌动球蛋自,但是由乙酰胆碱所引起的那种改变分 子大小的化学反应机制现在还不清楚。这样在肌肉中引起机械运动的基本过程也未为我们
請 勿 用 於 盈 利 之 目 的
第章物理学与其他科学的关系 請勿用於盈利 所知 生物学的领域是如此广泛,有许多问题我们根本无法叙述,比如视觉是如何产生的(即 光在眼睛里做什么),听觉是如何产生的,等等.(思维是如何进行的这一个问题将在后面心 理学中讨论.)但是从生物学的观点来说,我们刚才所讨论的这些关于生物学的事情实在并 不是基木的,并且不是生命的根源——即使我们理解了它们仍然不能理解生命本身.举 个例子:研究神经的人感到他们的工作是很重要的,因为无论如何不存在没有神经的动物, ∠但是没有神经仍然可以有生命.植物既无神经也无肌肉,但是它们照样活动着,照样生存 着.所以我们对于生物学的基本问题必须更仔细地研究一下;如果我们这样做,就会发现所 有的生命体中存在者许多共同的特征.最普遍的特征是它们都由细胞组成,每个细胞内都 有起化学作用的复杂机制.例如,在植物细胞中就存在着接收光线而产生蔗糖的机构,植物 在夜间消耗蔗糖以维持其生存.当动物摄取植物后蔗糖在动物体内就产生了一系列化学反 应,这些反应与植物体内的光合作用(以及在夜间的相反作用)有很密切的关系 在生命系统的细胞里有许多复杂的化学反应,在反应中一种化合物变成另一种化合物 然后再变成一种化合物.为了对生物化学研究中所付出的巨大的努力有某种印象,我们在 围3-1中总结了到此刻为止所知道的在细胞中出现的反应,这些反应只是所有反应中的很 小一部分,大约只占I%左右 乙酰辅躑d 合成酶 算酰乙酸 胡索酸腾 乌头酸酶H 三羧酸循环柠檬酸循环 e黄素 珀酸聪酶 F黄素 a剩戊二 酸氢 琥珀酰辅酶d }a酮戊二酸脱 图31克莱布斯循环 这里我们可以看到整整一系列分子,它们在一连串相当小的步骤组成的循环中从一个 变到另一个.这个循环称为克莱布斯(Kreb)循环或呼吸循环、如果从分子发生的变化来 说,每一种化合物和每一步反应都是相当简单的,但是—这是生物化学中非常重要的发 现一这些变化在实验室里出较难以完成,假如我们有一种物质,还有另一种十分类似的 物质,那么前一种物质并不就转变成后一种物质,因为这两种形式通常由一个能量屏障或 势全”隔开,考虑这样一个类似的情况:如果我们要把一个物体从一个地方拿到另一个 地方,而这两个地方处在相同的水平高度,但是分别在座小山的两边,那么我们可以把物 体推过山顶,但是要做到这一点需要一些附加的能量.由于这种原因大多数化学反应都不
請 勿 用 於 盈 利 之 目 的
费曼物理萨讲又(第一) 請勿用於盈利 会发生,因为有一种所谓的活化能妨碍这一反应的进行.为了在一种化合物中增加一个额 外的原子,就要使这个原子靠得足够紧,以便能出现某称重新排列;这样它就结合到那个化 合物上去了.但是如果我们不能给它足够的能量使之靠得足够地近,它就不会越过势垒.只 是上去了一部分路程后又倒退回来.然而,假如我们真的能把分子拿次手中,把其中的原子 推来推去使它出现一个缺口,让新子进入,然后又使缺口一下子合泷,我们就找到了另 个办法,即绕过势垒,这不需要额外的能量,因此反应就较容易进行.现在,在细胞 ∠里确实存在着一些很大的分子,比起我们对其变化刚描写过的分子要大得多它们以某种复 杂的方式使较小的分子具有恰当的状态从而使反应易于发生.这些很大的复杂的分子称 的为酶(它们起先被叫作酵素,因为原来是在糖发酵时发现的.事实上克莱布斯循环的某些 反应最初就是在发酵中发现的.)由于有酶存在反应就会进行 酶是由另一种称为蛋白质的物质制成的.酶是非常大而复杂的,每一种酶都不同,并且 都控制着一定的特殊反应,图8-1中每个反应中都写上了酶的名称.(有时同一种酶叮以 控制两种反应)我们要强调指出:酶本身并不直接参与反应.它们并没有变化,只是使一个 原子从一个地方跑到另一个地方.干完了这件事后,它又准备对下一个原子做同样的事犹 如工厂里的机器一样.当然,必须对某种原子进行补充,并且可以处理另一些原子.比如, 以氢为例,有些酶具有特殊的结构单元,能在各种化学反应中运送氢原子,例如有3种或生 碧脱氢酶在我们整个循环的各个地方都用到.有趣的是,使一个地方的某些氢原子释放的 机构将取走这些氢原子,并用到其他的地方去 图8-1的循环中最重要的是GDP较变为GP(二磷酸鸟嘌呤核苷变为三磷酸乌嘌呤核 苷),因为GTP比GDP含有更多的能量.就象在莱些酶中存在着一种运送氢原子的“盒子 样,在酶中也有特殊的携带能量的“盒子”,三磷醱基就是这样的盒子”,所以GP比 GDP具有更多的能量,而且如果循环是朝某↑方向时,我们就产生具有附加能量的分子,它 可以推动另一个需要能量的循环比如肌肉的收缩.除非存在着GTP,肌肉就不会收缩我 们可以拿几根肌肉纤维,把它们浸到水里,加一些GTP,只要这里存在着适当的酶,肌肉纤 维就会收缩,《TP就变为GDP.所以真实的系统是在 GDP-GTP转变中;在晚上就用白天 贮藏起来的GP使整个循环往另一个方向进行.你们可以看到酶对反应进行的方向并不 介意因为假刘不是如此,就会违反一条物理定律. 物理学对于生物学和其他科学之所以极为重要还在于另一个原因,这与实验技术有关 事实上如果不是由于实验物理的巨大发展,这些生物化学的循环图今天就不可能知道.其 理由是:分析这种极其复杂的系统的最有效的方法就是要辨认在反应过程中所用到的原子 例如如果我们能把一些带有绿色标记”的二氧化碳引到循环中去然后测量3秒钟后绿色 标记的位置在10秒钟后再测量一次,等等,我们就能描绘出反应的过程.那么“绿色标记” 是什么呢?它们就是同位素.我们可以回顾一下:原子的化学性质是由电子的数量雨不是 原子核的质量所决定的,但是有这种可能,比如在碳中,可能有6个或7个中子与每个碳原 子核都具有的6个质子在一起,这两个原子O与O3在化学上是相同的,但它们的重 不同在核的性质上也有差别,因顶是可以区别的.利用这些不同重量的同位素,或者甚至 利用放射性同位索,如C4就有可能跟踪反应的过程,这是比较灵敏的探查极少量物质的方 法 现在,让我们回到酶和蛋白质的描述,并不是所有的蛋白质郝是酶但是所有的酶都是
請 勿 用 於 盈 利 之 目 的
第3章物酒拦与其他科学的关系 勿白质戳白质有许多称,比如说朋肉中的蛋白质转构蛋白质它们存在于软管头发和皮 肤中,等驽,这些蛋白质本身并不是酶.但是,蛋白质是生命的非常具有代表性的物质:首 用先,它们组成了所有的酶;共次,它们构成了大部分其余的生命的物质,蛋白质兵有十分有 於越而单的结构.它们是一系列,或者说是一链不同的氨基酸.有20种不同的氨基酸,它 们全都能互相组合而形成链,其骨架是CONH,等等,蛋白质不是别的,正是这20种氨基 利 酸ξ成的各种各辯的链,每一融氨茎酸可能起某种特定的作用.比如,有一些氦基酸在 定的位置上有一个硫原子;当同一蛋白质内有两个殖原子时,它们就形成一个锥,也就是 之说它们把链在这两点上连接起来形成一个环.另一种氨整酸有一个额外的氧原子因而使 它变为酸性物质,再有一种则呈碱性的特征,有些氨基酸在一边悬挂着一个大基团,因此占 有许多空间.有一种称为脂氨酸的氡基酸实际上并不是基酸,而是亚氨基酸.这里稍微 有些差别,因为当氨酸在链上时,就会出现扭曲,如果我们想制造一种特殊的蛋白质,就 应当接照这样的规则:这里先放一个硫钩;然后加进某种东西来占据空位;再加入某种东西 以形成锭上的扭酱.这样,我得到一个外观上复杂的链,它们互相钩连在一起,具有某 种复杂的结构;这可能就是所有的酶形成的方式.1960年以来,我们所获得的伟大成就之 一就是终亍发现了某些蛋白质的原子的精确空间排列.在这些蛋白质中,一条链上就含有 56个或60个左右的氨基酸链,在两种蛋白质的复杂图样中已经确定了1000个以上的原了 (如果把氢原子计入,那么就很接近于2000个)的位置.第一种阐明结构的蛋白质就是血红 蛋白.这个发现的不足之处是我们从这样的图样中不能看出任何东西;我们不理解它为什 么会具有那样的功能.当然,这是下一步需要解决的问题 另一个何题是,酶怎么会知道该成为什么?一个红眼蝇会生出一个小的红眼蝇,这样产 生红色素的整个酶组信息必定从一代传到下一代.这是由细胞核中的一种称为DN(脱氧 核糖核酸的缩写)的物质所完成的,它不是蛋白质.这种关键的物质从一个细胞传到另一个 细胞(例如,猜虫细胞主要由DNA组成)并且携带了关于如何形成酶的信息.DNA是 张“蓝图”,那么这张蓝图滑来象什么,它又如何起作用?首先,这张蓝图必须能以复制 其次,它必须能给蛋白质以指令,说到复制我们可能会认为这种过程象细的复制.但细 跑只是简单地长大,然后一分为二.那么DNA分子也必须此吗?它们也是长大以后 分为二吗?每一个原予当然不会长大并一分为二!因此,除非有一种更聪明的办法否则就 不可能复制出一个分子来 对DNA这种物质的结构已经进行了很长时间的研究,首先用化学方法找出它的成分. 然后又用X射线法找出它在空问的阁象.果得到知下值得注意的发现:DNA分子是 对彼此缠绕在一起的锩.这些链与蛋白质的链类拟,但化学结构上是完全不同的,每条链的 骨架是一列惭与碘酸感,如图82所示.现在我们看出链是怎蓉容纳指令的,因为如果我们 把这个链从中间劈开,就可以得到一个 BANDO…系列,每个生命体都可以有一个 不同的系列,这,也许为制造蛋白质所需的特殊指令已以某种方式包括在DN的特殊 系列里 与链上的每一个糖相结合,并把两条链连接在一起的是一些交又链对.然而它们并 不都是相同的;总共有四种:臁嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧唳及鸟嘌昤.现在让我们称它们为 A、B、C和D.有趣的是,只有一定的配对才能彼此处于相对的位置,例如A对BC对 D.当这些对放在二列链上时,它们“破此对合,并具有强大的相互作用能,然而不适
請 勿 用 於 盈 利 之 目 的