分子机械_宇宙重构

分子机械_宇宙重构
微雕与龙须面集成电路芯片微型透光镜富勒苯或巴基球奇异的航程 60 微米的电动机转子细菌鞭毛上的分子发动机离子通道人类最大的冒险之一是遗传工程
令人奇怪的是，万物都在旋转，但是动物却没有进化出轮子来。人类何时发明和使用轮子尚没有准确的记载，不过黄帝又称轩辕氏，可见那时已有了车，北斗七星也被想像成帝王之车。
事实上，人类对机械结构的创造和使用，堪称巧夺天工，《列子》一书记载了古代的机器人，诸葛亮发明了用于运输的木牛流马，今天各种复杂巧妙的机器更是层出不穷，我们这里感兴趣的是人类在微型机械方面的进展。
四川渠县有一位中学教师邓秀虎，他在长九寸、展幅 185 度的纸扇单面上，书写了唐、宋、元、明、清 574 位诗人的 4712 首诗，共计有 120028 字。在这里，人的双手和所使用的工具共同构成了可以进行细微操作的机械。类似的还有微雕技术，例如在头发丝上、大米粒上雕刻出成百上千的文字；或者在大头针上绘画出人物肖像或风景（又称微画技术），其形象生动逼真，令人叫绝。
中国有一道美食龙须面，面条细如头发丝，它是由人的双手直接抻出来的，而无须借用任何工具。用高质量的小麦面粉，少量的盐和发酵粉，以及适量的清水，混合在一起揉成生面团；高明的厨师用双手的娴熟动作（抻、绕、扭）将生面团抻长后连成环状（第一次一分为二）， 然后将环状面条对折后再抻长（第二次一分为二）；如此抻下去，便得到比头发丝还细的面条，用油煎炸后可以卷在薄饼里食用，也可加上佐料当菜吃。
粗如苕帚把的一很大面条，抻 11 次后变成 2048 根细面条丝，每根的直径约为 1/800 厘米。据说世界最高纪录是抻 13 次，即一根粗面条变成 213 根面条（8192 根）；从理论上讲，面条可以抻到一个分子那样细的程度，不过细面条极易干燥，越细越脆（若能够控制操作室的温度，似乎可以克服这项困难）。化学家认为，生面团中的蛋白质是一种长链大分子，它们聚集成细小的纤维；高明厨师的神拉动作，用力大小和速度恰到好处，使这些细小的纤维不断被拉长并相互搭接在一起（抻龙须面中的绕、扭面条的动作，可能正是使细小纤维搭接成长纤维）。
事实上，神龙须面是人类的双手所能加工出的最微细的结构，这已经超过了蚕吐出的丝。一条蚕可吐出一公里长的蚕丝，蚕丝的直径为 0.018 毫米（细羊毛的直径为 0.02—0. 04 毫米）； 1500 条蚕吐出的丝，可以制成一件双绉连衣裙。如果龙须面的纤维能够织成布，那么一块面团就可以制成一身衣服。
借助于先进的工具，人类在制造微细结构方面达到了神奇的地步，最长足的进步表现在集成电路片的制造上。最初的电子计算机使用电子管作为基础的工作元件（例如放大电流用的三极管、整流用的二极管），后来用晶体管取代了电子管，再以后则用集成电路片代替了众多分立的晶体管。
所谓集成电路，是在一小片半导体芯片上同时制造出许多个三极管、二极管，以及电阻、电容元件，它们彼此已经按照预定的功能被联结在一起。因此，一个集成电路片就成为高度功能化的新部件，它不单纯是晶体管元件的堆积，而是简单功能元件被集成为复杂功能器件，就好像由生物细胞组成了生物器官一样。对于研制新型电子计算机的科学家来说，他们不用再去理会集成电路的内部结构，只需知道不同集成电路片的功能，便可以直接拿过来用，从而大大提高了研究速度。这有一点类似于作家使用成语，一条成语的信息量被凝缩为几个字，如果没有成语，文章将变得又臭又长（事实上，每个名词，尤其是代词，都是庞大信息量或复杂功能的集成，没有这种信息集成或功能集成，也就不可能有人类）。宇宙之所以能够从简单结构发展出复杂结构和更复杂的结构，正是因为某些复杂结构起到了集成电路的作用，它们可以很简单地又组成更加复杂的结构。
但是，对于研制集成电路的科技人员来说，他们梦寐以求的是不断提高集成度，由小规模集成电路发展到中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路；反过来说，就是要在同样面积的半导体芯片材料上，同时制造出越来越小、越来越多的电子元件来，并使它们构成越来越复杂的功能。借助于显微照相和光刻技术，他们能够把电路元件分开充塞在 1 微米之内（万分之一厘米或百万分之一米）；不过，电子专家的这种水平，仅比抻龙须面大师提高 3 到 10 倍（仅就直径而言）。尽管如此，这已经是相当微细的技术了，从理论上说一平方厘米的芯片便可安排 1 亿个元件（实际上还要留出引线的地方）。
英国科学家研制了一种电子束显微镜，它能够在一个针头上打出一 万亿个洞（或记号），从而将大英百科全书共计 29 卷的内容都刻在一个针头上。它甚至能用来挑选单个分子或设计制造分子筛（能将白血细胞和红血细胞分离开来，并能对病毒碎片进行分类），如果用它来制造信息存储器，其能力远远超过了集成电路。
科学家还将光学与微电子学结合在一起，制造出了微型透光镜，每个透镜的直径为 55 微米，比一粒砂子还要小。事实上，科学家已经开始制造分子级别的机械结构，它们不同于已往的化学产品，因为它们的价值不在于化学性能而在于机械性能。
在自然界中，纯碳分子通常以石墨或金刚石的形式存在，由于金刚石具有极高的经济价值（钻石首饰）和优良的机械性能（硬度最高可用于切磨任何材料），人们花费很大力气研制出人造金刚石的技术（只能得到很小的金刚石颗粒）。不过，现代科学家又有了一项新爱好，他们制造出了纯碳分子的第三种存在方式，即用数十个或数百个碳原子（有时也加入其他元素）构成不同形状的碳分子团，这些人造碳分子团被称为富勒苯或巴基球。
富勒苯可以迅速溶解、蒸发，即使在空气中仍能够保持其稳定的分子结构状态。因此可用它来封装另外的原子或分子。目前已制造出来的碳分子团，有 C₃₂ 、C₄₄、C₅₀、C₅₈、C₆₀、C₇₀、C₂₄₀、C₅₄₀ 、C₉₆₀，碳元素符号 C 右下脚的数字，表示碳原子的数目。其中 C₆₀ 格外引人注目，被称为巴克敏斯特富勒苯，它可能是宇宙中最圆的分子。
有趣的是，人工制造出来的 C₆₀，始终处于自旋运动中，其旋转速度高达每秒 1 亿转。据说，它的制造成本很快就可以接近于铝，每磅只有几美元。可惜，一般人无法看到它的真面目，也不能把 C₆₀ 放在手上把玩。
如果将 C₆₀ 置于中心，其外围由 C₂₄₀ 包住，再往外是 C₅₄₀、C₉₆₀，如果这一过程可无限的继续下去，那么便可以得到一个看得见摸得着的小碳粒，它可能会有一些特殊的物理性能。
如果将其他元素的原子与富勒苯结合起来，便可以制造出许多形态不同的结构来，它们组成了富勒苯动物园。例如，C₆₀H₆₀，被称之为绒毛球；C₆₀（O₅O₄）（4 一叔丁基吡啶）2，被科学家形象地称之为小兔子球；｛[（C₂H₅）₃P]₂P_t ｝₆，则称之为铂毛刺球。看来，碳原子确实是宇宙中最具合作精神的结构物，它有 12 个电子，内层 8 个电子与碳原子核构成稳定的结合，外层 4 个电子好像 4 只触手随时准备与其他原子拉拢到一起。如果说，大自然依靠碳水化合物制造了生命；那么，人类现在又制造出了新的碳类结构物，是否在预示着宇宙演化的新纪元？
1966 年上映了一部电影《奇异的航行》， 1977 年美国著名的科普作家 I·阿西莫夫将其改写成一部中篇科学幻想小说《奇妙的航程》。故事主人公格兰特，为了抢救一位颅脑受伤、神志不清的掌握尖端技术的科学家，与四位助手乘坐一艘特制潜艇，被微缩成细菌大小注入到科学家的动脉内，他们通过病人的血管、心脏、肺、耳朵、大脑  经历了一次奇妙的航程，终于完成了抢救任务。显然，这是人类在幻想有朝一日，制造出细菌大小级别的智能微型机械，它可以进入人的体内，将生病的部位清除，而又不伤害其周围的正常肉体结构的一个分子。 事实上，人类正在制造越来越小的机械电子装备，据报道，1988 年制造的一台微型电动机，它的转子直径只有 60 微米。美国 IBM 公司的一个研究中心，进行了“科学微型书法”的研究，他们制成了原子尺度的广告牌，用 35 个氙原子，将它们仔细排列在一块经过低温处理的镍晶体的表面上，组成了三个字母，其排列宽度仅为 1/160 亿米。
日本有一家机构，名叫先进技术研究计划（ERATO），以提供科研经费最为慷慨大方而闻名于科学界，它曾一次向一位科学家提供 200 万美元，并且几乎没有附带条件，资助他进行“细菌与人造分子发动机”的研究。
普通常见的细菌，例如沙门氏菌、大肠杆菌，它们要想移动自己的位置，便要驱动自己身上的鞭毛，鞭毛上面有许多极其微细的分子发动机，它们可以旋转，每分钟可达 15000 转。现已查明，细菌发动机的结构之一是 S 环，它可能是一个单一的巨大折叠蛋白质的一部分，该蛋白质构成发动机转子的基础，定子则嵌在细胞质膜中，据说鞭毛发动机结构由 10 种蛋白质构成。
人类的最大天赋之一就是模仿，当人们完全搞清楚细菌发动机的分子结构之后，便有可能仿制出同类的分子结构发动机；当然，从搞清楚一种结构，到人工制造出相同的结构来，还要走一条漫长的道路，例如人类至今还未能制造出与天然大钻石相媲美的人造金刚石来，也没有制造出人造遗传基因来。问题在于，知道一种结构，只是知道事物演变过程中的一个结果；但是，要制造这种结构，则需要知道事物演变的全过程（至于能否创造出相应的演变条件则是另一个难题）。这种过程可能有许多种不同的道路，有些看起来是捷径的道路可能是死胡同；因此，人们在仿制某种结构时，实际上是进入了一个迷宫之中，幸运的机敏的科学家有可能找到出口，不幸运的科学家则可能将毕生的心血葬身到这个迷宫之中。历史上无数的炼金术士，如果不考虑其贪婪的动机（其实，在追求利益的社会里，这并不是一种值得挖苦的性格），应当说是一批身陷迷宫的勇士。遗憾的是，中国的炼金术士，由于缺少玻璃制造技术（西方长期保守这项技术秘密，正如中国长期试图保守养蚕技术一样），只能在封闭的炼丹炉中进行试验，从而没有形成近代的化学（另一个技术障碍是精密天平）。
如果把生命现象归结为分子结构及其运动，那么一个细胞就是一种复杂的微型机械装置。1991 年诺贝尔医学奖，授予了两位德国学者埃尔温·内尔和贝尔特·扎克曼，他们发现了细胞膜上的单离子通道，一个活细胞上大约有 20 到 40 个这样的离子通道。他们之所以获得这项成功，是因为找到了一种先进的技术，能够测出一微微安培的电流；也就是说先成为杰出的电子技术专家，然后才成为出类拔萃的生物学家。
据研究，细胞膜上存在离子通道，所谓离子道是镶嵌在膜上的跨膜蛋白质，由 X 螺旋蛋白构成，称为通道蛋白。通道蛋白上有闸门，可迅速开放或关闭（几毫秒）；闸门是由通道蛋白的带电分子或基因所构成，有的闸门持续开放，有的闸门则间断开放。间断开放的通道分为两类，一类是电位依赖性的电压闸门通道，例如钠离子道、钙离子道（高血压病与此通道故障有关，目前已制造出新药，如钙通道阻滞剂）；另一类是化学门控制的配体闸门通道，受化学物质的调节，如乙酰胆碱离子道。 令人感兴趣的是，谁在操纵或指挥这些离子道闸门的开启或关闭？显然，我们的大脑没有这项功能，否则许多病，诸如高血压、心脏病、糖尿病，我们自己就是医生，并能够手到病除（应称之为“思到病除”）。不过，大脑似乎可以间接操纵这些闸门，例如情绪可以影响肉体结构的运作，气功师似乎能够更多地操纵这些闸门，尽管他们自己也不清楚这种操纵是如何实施的。
科学家相信，是 G 蛋白（鸟苷酸调节蛋白的简称）家族在直接参与对离子道的调节，它们使细胞产生特定的生理效应，而且生物体对外界信息的反应也是通过它们来传递的。如果继续追问下去，那么 G 蛋白是由一些效应酶（CAMP 和 CGMP）来激活的，而效应酶又是由前列腺素激活的，而前列腺素又是在激素的控制下合成的，而激素又是由某些细胞分泌出来的，而这些细胞又受到 G 蛋白的控制。看来问题又回到先有鸡先有蛋的旋转圈里，一切都在旋转；在这里，旋转不仅是指机械的物质运动，而且也扩展到不同物质结构之间的相互作用循环圈。对地球上所有生物的存在方式，我们形象地称为生物圈；事实上，对宇宙间所有结构的存在方式，也可以形象地称之为结构圈。
目前，人类进行的最大冒险之一是遗传工程，它可能给人类带来巨大的利益，也可能造就出足以毁灭人类的新生物。例如，人工修改或制造出某种新的病毒（完全可能在无意中产生），它们具有极高的繁殖和生存能力，并对人体或动物、植物产生巨大的破坏力，而人体对它根本没有任何免疫力（免疫力是人在进化中形成的，因此不可能对新出现的病毒产生免疫力），并且很难在短期内找到消灭这种病毒的药物，那时人类将陷入毁灭性的瘟疫之中。我们甚至怀疑，艾滋病的根源，正是悄悄从试验室里跑出来的某种人造结构物。
看来，人类在制造分子机械时，或者在改变生物的基因分子结构时，应当学会保护自己，老夭爷已经无能为力了。

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