微观世界:人类是否能够走得更远?

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频道:科普综述
作者:李麟辉 编译

微观世界:人类是否能够走得更远?,试设想一下,你现在不再是人类的大小,将你缩小到细菌那么大——大约是现在体型的一百万分之一,在这个尺寸下,你不再被引力所束缚,而粘度才是决定性的因素,这

试设想一下,你现在不再是人类的大小,将你缩小到细菌那么大——大约是现在体型的一百万分之一,在这个尺寸下,你不再被引力所束缚,而粘度才是决定性的因素,这时你在空气中的运动状态更像是在粘稠的沼泽中游泳。

 
你的细菌同伴们吵闹地从你旁边经过,他们的能量来自于可逆的旋转发动机,这驱动他们以高达每秒20倍身体长度的距离前进。如果类比的话,这个速度在人类世界中需要借助发动机才能达到。
 
细菌是很容易找到食物的,营养物通过分子扩散就轻易到达细菌的表面。然而,细菌也和大型生物一样,会被捕食者猎取,也可能被病原体感染。
 
对于我们人类来说,这种拇指汤姆(注:西方童话故事,汤姆比大拇指还要小)的宇宙并没有太多的意义,人类更多地关心能够看到和触摸到的物体。事实上,直到英国发明家罗伯特·胡克(Robert Hooke)在1665年发明了显微镜之前,人们对微观世界一无所知,是光学的发展将人们带进了这美妙的微观世界。
 
生命是永无止境的蓝图
 
从那以后,人类对于生命的极度复杂性的认识觉醒了,时至今日我们仍然在为之努力。我们必须接受的事实是一茶勺的水、泥土或冰里面充满了上百万从没有被发现或命名的微生物。这种令人眼花缭乱的多样性在地球每一个角落和缝隙中都存在着。人们嘴里的每个牙齿上都有至少100,000个细菌;火车和公共汽车栏杆、座椅和其他设施上正进行着名副其实地细菌动物园的狂欢,更不用说还有食肉细菌了。
 
然而,这并不是微观世界的全部,让我们一起进入更小、更复杂并且更离奇的生命奇观吧。
 
微观显像下的生命过程
 
传统的显微镜能够达到微米量级,而现今的21世纪,感谢X射线和激光技术,人们可以观察到纳米或者说十亿分之一米的原子量级,可以记录下某些支持生命的最基本功能,比如光合作用的精彩瞬间。

由X射线成像快照制成的电影(一秒钟可以得到100万亿张图像)展示出在光合作用过程中分子机器的内部工作。在绿色植物的光合作用中,周围围绕着蛋白质的锰原子将水分解并将二氧化碳作为食物吞掉。大自然也利用同样的机理,配合着电子传输反应,产生了地球上生命所必须的氧气。类似的电影还可以展示当光线到达人的视网膜并与光敏蛋白质接触时所发生的反应。

这样的影像可以使科学家们对许多生物学和药学上的重要课题进行更深入地研究,有助于研制出更有效的药物促进医学的发展;植物学家通过微观影像了解光合作用对于植物王国的驱动力和无数依赖这个过程生长的生物有重要的研究意义。

建立于微观世界中的全新工业

纳米科技的快速发展使得人类社会迈进了崭新的阶段。人们最直观的得以受益的方面就是在医学领域,应用纳米生物技术会发展出新的更有效的药物,例如借助X射线或激光生产出用于治疗高血压的药品。此外,纳米生物技术会更积极地致力于精确地模拟生物机理,模拟出当作为载体的纳米颗粒到达癌细胞时的具体行为,为癌症患者提供一线生机。

目前,人们正在进入“加工分子”的时代。在不远的将来,会制造出足够小的能在分子量级工作的“纳米机器人”,使得它能够操控细胞内的分子过程。也许有一天它们会足够微小而把药品送到特定的分子部位,这样或许有一天“纳米机器人”也可以做手术。

科学是一把双刃剑

微观世界并不是人类能够直接影响的设计,用常规的手段几乎不能了解它的运行规律。这就意味着这些过程也会有有害的一面,迄今为止,人类还无法全面控制可能的风险。

回到人类现实世界的大小,在现实世界中人们有例如环境影响评估和毒药学测试的测评程序,这些概念能否应用于纳米工程分子结构?也许有一天人类的垃圾回收中心(或者甚至是垃圾填埋场)堆满了具有复杂纳米结构的电子垃圾,而人们对其可能带来的环境影响一无所知。

这可能过于科幻了,但是在一些化妆品、颜料、服装等产品中已经应用了可能会有潜在风险的矿物纳米颗粒,其中一些肯定会进入宏观世界,比如从人们的淋浴废水进入污水处理厂。有人猜测其可能在水体和土壤中“野化”了,然而这些推测只是来自细粉或塑料,它们的表面可以成为无机和有机污染物的载体,但是它们比纳米颗粒要大得多。这些问题目前还没有引起污水处理行业的重视。即使是那些名声在外的一级污水处理厂也只处理病原体,几乎不关注纳米颗粒废物。

纳米颗粒的尺寸、形状、表面积和在宽广的大自然中的行为使得人们无法设想如何最好地控制它们。因此,应用纳米科技时,应充分考虑其对大自然的影响,将可能的风险降至最低。

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