孤立子与生命活动

第五节　孤立子与生命活动

在一切生命活动过程中，生命体都必须进行物质、能量和信息的吸收、输送、存储、释放或输出，所以从现代生物物理学的角度来讲，生命活动过程就是生物能量、物质和信息这三者的变化、协调和统一的过程。对这些生物能量、物质和信息的传输和变化的一个基本要求是恰当和无损耗地输运，否则生命体无法对外来刺激和攻击等作出正确判定和恰当的反应，也就无法很好地生存下去。孤立子具有的独特性能，恰好能够完成这个重任。

一、孤立子

提到孤立子，人们总会想到1834年英国科学家斯科特·罗素观察到的奇妙现象，即由两匹马拉着在小河道中急速行进的船突然停下，在船前激起的孤立水波滚滚向前行进大约2千米的情景。这是人们最早在水中观察到的孤立波，但因当时科学技术水平的限制，它未引起人们足够的兴趣。直到20世纪60年代末和70年代初，孤立波才引起普遍重视，但初期研究都停留在数学问题上，把它作为求解非线性微分方程的一种数学手段，认为孤立波就是非线性方程的局域性行波解。这种孤立波如果在碰撞后不消失，其波形和速度不改变或仅有微小改变，则称为孤立子。孤立子是指由非线性场激发的、能量不弥散的、稳定的物质集团或团块。这种团块大到星球或宇宙中的云团，小到其质量可与电子或夸克相比拟，它可由宏观物质组成，也可由许多微观粒子组成，或可由一个微观粒子演化或自陷而成。随物质形态与结构、性质及周围环境的不同，可以形成不同形态结构与性质的孤立子。在物质世界中，只要有非线性场存在，这种新型的准粒子往往都会出现。

水面上的孤立波

这种新型准粒子之所以会引起人们的极大重视，是因为它除了具有一般粒子的特性外，还具有许多特殊的性能，其中一点是它既具有波动性，又具有粒子性，同时还遵守经典运动规律。它与我们至今发现的粒子，如量子理论描述的具有波粒二象性的微观粒子的性质不一样。说它具有波动性，是因为它是一个真正的行波，遵守KdV波动方程、非线性薛定谔波动方程和非线性克莱因戈登波动方程等。它既可以一定的速度在时空中传播，又可静止于空间中，后者称为非传播孤立波。说它具有粒子性，是因为它具有上面讲的一切粒子的基本属性，两个孤立子相互碰撞后的规律和一切粒子的碰撞规律相同。它具有通过一段宏观距离后保持能量、动量、质量等一切准粒子特性不变的性质，其运动规律服从经典的牛顿方程或哈密顿方程。实验观察到非传播孤立子受不同外界作用时，可做匀速或非匀速等多种经典运动。正是由于这些特性，目前人们对孤立子的研究常采用经典哈密顿方法和量子理论等方法。也正是由于孤立子能保持自身特性，孤立子理论具有广泛的实用性，日本电信电话公司最近已完成了10万千米的用超高速光孤立子传送通信信号的工程。

从孤立子的特性可看出，如果在生命体中存在这类孤立子，确能承担起传输生物能量、信息和物质的重任，为生命体的正常生存服务。但生命体是否有形成生命孤立子的条件呢？生命体是由具有各向异性和耗散结构特征的、开放的和高度有序的生物自组织组成的。这种自组织是生命体在不断吸收外界能量、物质和信息，又不断地向环境输送负熵后，由其非线性作用造成的低熵高能状态和分子的有序排列形成的。由这种机制造成的生物自组织，不论是细胞组织，还是生物大分子的蛋白质或DNA和RNA，都是一个很好的典型非线性系统。

二、传递生物能量和生物信息的孤立子

在生命体中，生物能量与生物信息传递的问题一直吸引着人们的关注和重视，但这种传递的微观机制一直未弄清楚。

20世纪70年代末，一直从事分子系统中孤立子激发特性研究的乌克兰科学家达维多夫转向研究这个问题。他首先研究了α螺旋蛋白质分子中的孤立子问题，这是由于这种蛋白质分子可看成是由三条扭结为螺旋型的长链分子组成的，而每一条长链分子往往可近似看成达维多夫原来研究的准一维分子系统。于是他把准一维分子系统中的孤立子理论移植到α螺旋蛋白质分子中来，研究了其中结合能的传输。

三、能完成复制、遗传与转录功能的孤立子

生命体都有遗传的功能，它的物质基础或遗传信息负载在双螺旋型的DNA大分子上。它的解链和复制功能，使生命体具有遗传与变异的特性，但是几十年来人们一直未弄清楚DNA的解链与复制过程是如何进行的。人们依照在蛋白质分子中应用较为成功的庞氏理论，结合上面讲的碱基的变化特点，建立了包括碱基在内的DNA整体的动力学方程。由这一方程，可得到在DNA中存在有如上所述的各种结构孤立子和传输生物能量和信息的传播孤立子。这两类性质不同的孤立子的密切配合和相互合作，完成了DNA的解链、复制、转录、转译、基因表达等生物功能。

总之，在生物大分子的蛋白质和DNA中存在各种类型的孤立子，正是有了这些孤立子，蛋白质和DNA才能去完成它们的生物功能。这种具有生命功能的孤立子在生命活动中扮演了极其重要的角色，值得我们作进一步研究。