化学研究中的化学和生物学方法的相互移植
化学先生 / 2019-08-17
化学的原理 、概念和方法(其中不少是从物理学移植来的)向生物学的移植，最明显地表现在生物化学的产生和发展中。从一定的意义上说，生物化学的产生和发展几乎都是以化学概念、原理和方法移入生物学为标志的。在19世纪中叶以前，以生物体内产生有机物为研究对象的动物化学和植物化学取得了一些研究成果。从19世纪中叶开始，由于有机化学结构理论(即经典价键理论)的建立，化学向生物学的移植趋势得到加强以致德国化学家霍佩赛莱(F. Hoppe Seyler, 1825 ~1895)于1877年提出了“生物化学”的概念。1897 年，布希纳(E Buchner. 1860~ 1917)从活细胞中分离提取出酶(采用的分离、提取方法就是从化学移植到生物学中去的)，使生物化学进人了以研究生物体内新陈代谢为中心内容的新阶段。而20世纪50年代DNA双螺旋结构分子模型的建立(探讨这种化学结构的方法得益于化学向生物学的移植),既标志着分子生物学的诞生，又成为生物化学发展到更新阶段的转折点。基此以后，生物大分于的结构和功能的关系成为生物化学研究的中心内容。
化学方法向生物学的移植是相当广泛的.除了传统的无机化学、分析化学,特别是有机化学方法向生物学移植外，作为化学和物理学边缘学科的化学热力学、化学动力学及量子化学等的方法也向生物学移植。目前，在分子生物学研究中已把对某些物理化学原理的讨论作为其基础性的内容。所谓“某些物理化学原理”，如:质量作用定律化学平衡、勒夏特列原理、水的电离与pH缓冲作用、缓冲液、氢键、无序性增加定律(即嫡增加原理)、扩散和渗透、复杂性研究、耗散结构等。至于量子化学方法向生物学的移植更是迅速和日益广泛。从历史发展过程来看.量子化学方法向生物学的移植大体经历了如下儿个阶段: 1957~ 1963年，HMO法在生物化学中的应用1963-1972年,全价电子和全部电子的量子力学计算:1973年到现在，生物大分于的整体计算和溶剂效应超分子模型的提出。此外,20 世纪60年代以后，量子化学家还用HMO法计算了ATP的作用生物大分子的构象和分子活性、酶催化反应的机理等。
同物理学方法向化学方法的移植比较，化学方法向生物学的移植更具有实用性。对生物学研究来说，化学好比是个工具库:化学方法向生物学移植，首先是为了满足生物学的需要。生命运动的复杂性使生物学研究必须依赖物理学、化学等学科的成果(包括它们的一些草有成效的方法)。应该看到，充分利用不断进展着的化学和物理学的成就来探讨生物学问题，是20世纪乃至21世纪生物学研究的指导思想之一:这方面已经取得的成就，足以鼓舞人们有信心“沿着这条思路去进- -步探索生命的奥秘”。
此外，化学虽然因接受物理学提供的移植对象而增加了自身的理论性，但从总体上看，化学还是一门经验性很强的学科。正是由于上述儿方面的情况，所以化学主要是为生物学提供了工具性的移植对象，而没有提供公理性的理论框架。如果说化学作为“受 系”而接受了物理学提供的形式化的论证性语言，那么，化学作为“供系”则为生物学提供了形象化的描述性语言。对生物化学而言，如果没有化学提供的分子式和结构式的描述方式，就无法进行蛋白质、核酸等大分子的结构和性质的研究:如果没有化学提供的反应的化学方程式的表示方法，则新陈代谢途径和酶促反应机理等的研究就难以进行。而分子式、结构式和化学方程式等主要是形象化的描述性语言，它们不像内能培嫡、自由能波函数等状态函数那样具有演绎推理的功能(虽然状态函数已被移人生物学中,但主要是用于计算，而不是用于推理):因此，作为化学与生物学相结合而产生的生物化学，若从整体上考察，它主要是一个实用性的分类系统，而不是公理性的理论系统。这个特征虽然很突出，但学者们的认识并不统一。
化学与其他学科之间存在着相互移植:化学既可以作为受系而接受其他学科提供的移植对象，也可以作为供系而为其他学科提供移植对象。这表明:生物学的概念、原理阳方法向化学领城移植有其逻辑上的根据。此外，这种移植还有其本体论的基础，那就是:化学运动和生命运动作为低级运动和高级运动的两种基本形式，存在着相互转化的可能性:而且，作为高级运动形式的生命运动，必然包含着作为低级运动形式的化学运动。这就提示人们，如果我们越是深人地研究作为高缓运动形式的生命运动.那么从中取科的成果(它主要体现在生物学的概念原理和方法上)也必将有助于指导较为低级的物质运动形式(如化学运动)的研究。生物学的概念、原理和方法是然对于化学来说具有一定的方法论意义。实际情况也是如此。何如，生物有机体的“整体"概念引人化学后，对反应体系的研究和化学工程的设计颇有启迪。又如，通过对生命运动中基础物质的研究(如蛋白质、核酸等)而得到的规律性认识，又可以进一步加深对化学运动自身(尤其是高分子物质的化学运动)的认识。再如，借助模拟法将生物体系内的结构功能的原理及机制移入化学,从面加深对化学组成结构和性能以及化学反应中物质、能量转化规律的认识，进而丰富和发展有关化学结构理论及化学反应原理。这一点突出地体现在模拟酶催化上，既可以上亿信地提高化学催化剂的效率，同时又促进了化学键理论的发展。化学模拟生物固氮就是一个典型例子。模拟生物膜，可以使化学实验和化工生产中的一切分离手段相形见绌;模拟光合作用机制，可以实现用化学方法进行最有效的能量贮存转化等。可见，在化学的不少领域中都留下了生物学渗透的痕迹，化学从生物学汲取了不少新概念和新方法。但是，我们应该充分估计到，生物学向化学的移植,无论在概念与原理上，还是在研究方法上，都没有达到像物理学向化学移植那样的深度和广度,不过有一点可以肯定,无论哪个领域和哪方面的专家，都应向其他专业的专家学习，这是科学-体化的需 要，也是每门学科发展的需要。
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