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朱欽士,四川省成都市人。1968年畢業(yè)于北京大學(xué)生物學(xué)系生物化學(xué)專業(yè)。1984年獲得荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)生物化學(xué)博士學(xué)位。1984年至1986年在中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所酶學(xué)和生物能學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作,同時(shí)任碩士研究生導(dǎo)師。1986年到美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉磯兒童醫(yī)院從事基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究。1991年至2009年在美國(guó)南加州大學(xué)從事研究工作。退休前為南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物學(xué)系副教授。
研究領(lǐng)域包括生物能,酶的結(jié)構(gòu)和功能,蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn),癌癥與染色體,神經(jīng)遞質(zhì),基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制,以及肝臟解毒系統(tǒng)。

人能不能微縮?——具有深遠(yuǎn)影響的幾何關(guān)系

朱欽士
2011年06月28日
   在科幻電影中,人可以縮到比螞蟻還小,甚至細(xì)胞那么小。要是真能實(shí)現(xiàn)該多好?。〔灰f我們可以去看微觀的美景,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值也不可限量。   比如旅行?,F(xiàn)在的客車一般就載幾十個(gè)人,最大的飛機(jī)也就載幾百人。要是人能微縮,一架飛機(jī)就能載數(shù)千人,甚至數(shù)萬人。那將節(jié)省多少燃料??!   在戰(zhàn)爭(zhēng)中,我們的戰(zhàn)士也能變小,躲過敵人的監(jiān)視,穿過各種障礙物,進(jìn)行偵查和展開各種軍事活動(dòng),使敵人的現(xiàn)代化武器失去作用。   在醫(yī)學(xué)上,微縮了的醫(yī)生可以進(jìn)到身體里面,修補(bǔ)傷口,清除結(jié)石,找出癌細(xì)胞,甚至可以一根根地去連通斷裂了的脊髓神經(jīng)纖維,讓截癱者重新站起來。    但在實(shí)際上,這樣的微縮是不可能實(shí)現(xiàn)的。要微縮以后還是人,那人的每個(gè)細(xì)胞也要相應(yīng)縮小。如果人縮到細(xì)胞那樣小,那原來的細(xì)胞就要縮到一個(gè)氫原子那么小。那就不可能是細(xì)胞了。    不要說把人縮小到細(xì)胞那么小不可能,就是縮小到螞蟻那么小都不可能。那么小的生物不可能是人?!段饔斡洝防锏膶O悟空就比較聰明。他不縮小成小孫悟空,而是變成一個(gè)小蟲子,鉆到鐵扇公主肚子里去。    人不能微縮的一個(gè)原因就是組成人的細(xì)胞不能相應(yīng)地縮小。否則就裝不下為細(xì)胞生存和活動(dòng)所必需的最低限度數(shù)量和種類的分子。即使把人縮到螞蟻那么小,細(xì)胞也要縮到10個(gè)納米大小。而DNA的直徑就有2.6納米,合成蛋白質(zhì)的核糖體更有20個(gè)納米大。    即使不考慮細(xì)胞縮小,這里也涉及到一個(gè)基本問題,即,一個(gè)物體(包括生物)按比例放大縮小后,其性質(zhì)行為會(huì)不會(huì)還像原來一樣?幾何的基本定律告訴我們,不會(huì)。    原因就是,幾何里面的幾個(gè)參數(shù),長(zhǎng)度(一維),面積(兩維)和體積(三維),在一個(gè)物體放大縮小時(shí),變化的方式速度不同。長(zhǎng)度是按線性變化,面積是按平方變化,而體積是按立方變化。也就是說,線度增大(或縮?。?0倍,面積便增大(或縮?。?00倍,而體積增大(或縮?。?000倍。這個(gè)關(guān)系看似簡(jiǎn)單,卻影響世界萬物的存在方式和行為,包括生物和人。    比如說,一塊石頭,扔出去后會(huì)立刻掉到地上。但如果把它磨成細(xì)粉,就可以隨風(fēng)飄揚(yáng),盡管每個(gè)微粒的重量還是比同體積的空氣重幾百倍。所以這不是浮力,而是石頭磨細(xì)以后,每個(gè)顆粒的表面積與體積(與重量成正比)的比值大大增加??諝饬鬟^顆粒時(shí)產(chǎn)生的磨擦力大過顆粒的重量,所以顆??梢噪S風(fēng)飄揚(yáng)??諝庖坏╈o止,顆粒也就沉積下來,成為桌面上的灰塵。    如果顆粒足夠小,那表面積和體積的比就變得極大,以致物體的性質(zhì)都會(huì)有重大的變化。這就是納米技術(shù)的原理。金子是黃色的,但納米金就會(huì)呈紅色。    縮小是如此,放大也是一樣。    在日常生活中,用紙疊一個(gè)飛機(jī),可以自己立住。但如果放大到真的飛機(jī)那么大,它就會(huì)垮塌。因?yàn)橹亓亢途€度的比大大增加了,而紙的機(jī)械強(qiáng)度并沒有變化。同理,我們可以用鋼筋水泥建造兩米寬的陽臺(tái),但我們不可能用鋼筋水泥建造同樣形狀,但兩百米寬的陽臺(tái)。它一定會(huì)垮塌。   一塊石頭,可以是任何形狀。甚至小行星的形狀也是不規(guī)則的。但到太陽系行星的尺寸,形狀就都是幾乎完美的球形。因?yàn)檫@時(shí)重量(表現(xiàn)為向心引力)和線度的比率極高,而巖石的強(qiáng)度并沒有變化,任何高聳的地方都會(huì)自己坍塌下來。    這種關(guān)系也影響到生物,導(dǎo)致很多有趣的現(xiàn)象。    動(dòng)物的高度縮小一倍,重量就要減為8分之一,而關(guān)節(jié)表面積只減少為4分之一。也就是說單位面積的關(guān)節(jié)所承受的力就會(huì)減少一倍。1厘米高的生物,關(guān)節(jié)單位面積所受的壓力就是一米高的生物的一百分之一。所以螞蟻和蜘蛛的細(xì)腿可以支撐身體的重量。大象就要很粗的腿才能站住。犀牛和河馬的腿也很粗壯。長(zhǎng)頸鹿又要夠高處的食物(脖子要長(zhǎng)),又要跑得快以逃避野獸(腿也得長(zhǎng),而且不能太粗),就只能縮小軀干和四肢的比例以減輕重量,特別是縮短身長(zhǎng)。所以長(zhǎng)頸鹿的體型就只能是這個(gè)怪樣子。已經(jīng)絕滅的恐龍還要大,它們的腿也粗得多。地球上是不可能有幾百米高的動(dòng)物的,即使食物供得上。光是重量就把它們自己壓垮了。    同樣,從人的大小到螞蟻的大小,體重迅速縮小,但肌肉橫切面的縮小的速度卻慢得多。所以螞蟻可以舉起比自己重100倍的物體,跳蚤可以跳比自己身高高100倍的高度,人就絕對(duì)做不到。大象根本就不能跳。就是人,小個(gè)子也比大個(gè)子靈活。    反過來說,如果把螞蟻按比例放到人那么大,那它就會(huì)有比人大得多的腦袋,細(xì)得多的脖子,再加一個(gè)巨型的“肚子”。它會(huì)連頭都抬不起來,更別說快跑了。    越大的鳥,翅膀與身體的比例越大。因?yàn)樗鼈冃枰~外增加翅膀面積來部分抵消體重的迅速增加。    世界上的事物千姿百態(tài),生物更是變化萬端。看似隨心所欲,其實(shí)內(nèi)中都有規(guī)律在。一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何原理所導(dǎo)致的力學(xué)后果,卻影響到世界萬物的存在方式。我們?cè)侥芸吹绞挛锉砻娆F(xiàn)象后面的原因,我們對(duì)這個(gè)世界的理解就越深刻。