郭昊天

如果物質(zhì)系統(tǒng)有著一種均勻的物理化學(xué)性質(zhì)，我們就稱之為這個系統(tǒng)的一種相態(tài)。人教版初二《物理》會講到自然界中存在的物質(zhì)三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。溫暖的春天，冰雪熔化成水；寒冷的冬天，湖水凝固成冰；涼爽的清晨，空氣中的水蒸氣在花草上液化成露珠；炎熱的午后，濕衣服上的水珠很快就汽化成水蒸氣飛走了，這是水在固、液、氣三相之間的相互轉(zhuǎn)化，也就是水的相變。

去油污的物理學(xué)—油水分離相和表面活性劑

相變的過程無處不在，從廚房中取材，就可以觀察：

首先在玻璃杯里加一些水，再倒些食物油，你盡可以像個調(diào)酒師，把油和水混合均勻，但是只需將你的“雞尾酒”靜置片刻，它仍然會發(fā)生上油下水的分層，這就是水油二相的相分離，也是相變的一種。像食用油的油相物質(zhì)就是喜歡和水分離而不愿意混合在水中，所以附著了油垢的鍋碗、衣物，很難被水沖洗干凈。不過只要加上一些洗潔精，問題就迎刃而解了。原理說來也簡單，洗潔精是一些小的有機兩性分子，一端可以結(jié)合油（疏水性），一端可以結(jié)合水（親水性），這樣，他們就可以包裹起油滴避免和水接觸，使得油以小液滴的形式穩(wěn)定于水中。類似的兩性分子我們統(tǒng)稱為表面活性劑。

既像油又親水—生物大分子的兩種相

生命是由許許多多的大分子構(gòu)成的，比如DNA、RNA和蛋白質(zhì)。這些分子雖然大，也逃不脫物理和化學(xué)規(guī)律的制約。比如蛋白質(zhì)本身就是一種兩性分子，很多蛋白質(zhì)表面分布大量的親水基團(tuán)，而在內(nèi)部則有大量疏水的氨基酸，像一個被洗潔精包裹的油滴一樣，能非常穩(wěn)定地溶解在細(xì)胞內(nèi)豐富的水環(huán)境中。

那么大分子還有沒有別的相呢？可以想象，蛋白質(zhì)也可以通過疏水的氨基酸相互結(jié)合，聚集成團(tuán)，產(chǎn)生一個個更大的“蛋白滴”，和水之間產(chǎn)生相分離。如果結(jié)合力再強一些呢？這些蛋白質(zhì)的聚積物就會像一個固體一樣，水潑不進(jìn)，蛋白質(zhì)也別想出得來。煮雞蛋，就是這樣一個讓液態(tài)的蛋清、蛋黃變成固態(tài)的過程，加熱使得蛋白質(zhì)更容易失去正確的折疊方式而暴露出疏水的氨基酸，從而誘發(fā)了蛋白質(zhì)聚積。

除了加熱，錯誤的蛋白質(zhì)也會引起蛋白質(zhì)聚積，最終導(dǎo)致細(xì)胞病變死亡，如大名鼎鼎的瘋牛病、鐮刀型貧血病都是如此。僅僅細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)太濃了也可能會發(fā)生相分離。像線蟲受精卵的一端就會富集大量的蛋白質(zhì)和RNA，他們復(fù)合形成的小液滴稱為P-顆粒（P granules），而越靠近另一端，蛋白質(zhì)和RNA的量越少，P-顆粒也就消失了。利用這個小技巧，線蟲在未來的發(fā)育過程中就可以清晰地知道自己的頭尾方向。

不僅僅是“錢”—ATP的新功能

蛋白質(zhì)溶解在水里，似乎也不是那么一個理所當(dāng)然的事情。很多細(xì)胞里有著大量的蛋白質(zhì)，非常擁擠，它們是怎么保持穩(wěn)定地溶解而不聚集成團(tuán)呢？長期以來，這都是一個難以解釋的問題，不過就在近幾年，科學(xué)家們可能找到了一個出人意料的答案：

故事要從一個叫作ATP的小分子說起，它的中文名是三磷酸腺苷。這個小分子是細(xì)胞新陳代謝中傳遞能量的“分子通貨”。如果把化學(xué)物質(zhì)的能量比作財富，ATP就是流通的錢。不難想象，細(xì)胞中時刻都會有著一定量的ATP正在流動，從而保證每個耗能的化學(xué)反應(yīng)都有“錢”可用。但是在細(xì)胞中的ATP含量，其實比實際所需的還要高近100倍之多，這是為什么呢？現(xiàn)在我們知道，原來ATP除了傳遞能量之外，還有別的重要的功能—ATP也是一種像洗潔精一樣的兩性分子，它們能幫助蛋白質(zhì)更穩(wěn)定地溶解在水環(huán)境中。

動手做個實驗吧

有一個非常有趣也非常簡單的實驗可以驗證ATP的作用，你在廚房就可以在家長的協(xié)助下完成：

你需要一點雞蛋清和一些藥房可以買得到的三磷酸腺苷二鈉片（也就是鹽形式的ATP），以及兩口一模一樣的鍋。

一口鍋煮雞蛋清，科學(xué)上我們把這個叫作對照組。換一個一模一樣的鍋，使用相同的火力，煮雞蛋清和ATP的混合物，這就是實驗組啦。煮相同的時間，你會觀察到，對照組很快就煮熟了，而實驗組能保持很久的液體狀態(tài)。

這說明ATP可以很好地避免凝固的過程從而使蛋白質(zhì)溶解在水中，使得雞蛋清很難被“煮熟”。

除了相變之外，越來越多在物理和化學(xué)中研究過的現(xiàn)象和理論，如今被用于理解更為復(fù)雜的生物系統(tǒng)。多個學(xué)科之間的合作交叉也逐漸地成為時下一種更有效、更有趣的研究模式。有許多生物中的相變機制還亟待我們發(fā)現(xiàn)，也有更多生命中有趣的物理化學(xué)現(xiàn)象需要多種學(xué)科背景的科學(xué)家一起來研究闡釋。