液晶态、负熵与癌

sunsong7

        多数纯化后的生物大分子在一定浓度、温度、离子强度、酸碱度等条件下向体系能量最低的方向转化，在空间作三维周期性的规则排列形成晶体（crystalline）。正是蛋白质的α螺旋，DNA双螺旋等自然界精美的艺术品般有趣的晶体结构吸引和鼓舞着人们开启了分子生物学的大门，克里克和沃森当年就是受诺贝尔物理学奖获得者薛定谔在《生命是什么？》一书中关于遗传物质的“非周期性晶体（nonperiodic crystalline）”设想启发，从而发现了DNA的双螺旋结构。4 s! ?; W* e6 ]% |2 [* d
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        自然条件下，生命体中的蛋白质、核酸、多糖、脂类等能够通过自组装（self-assembly）而呈现液晶态（liquid crystalline state）。液晶态是一种即具有液体的流动性和连续性，而其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式的特殊物质态，生物大分子的液晶行为与细胞和组织功能的表达有关。) }/ a7 z/ J( c: R8 H& B0 W
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        生命系统中液晶态结构普遍存在，如细胞及细胞核、线粒体、高尔基体、液体泡和内质网都被一层液晶态的生物膜所包裹。由于生物液晶态特殊的微观结构，沿晶格的不同方向原子排列、化学键、离子键、疏水键、分子间作用力等的周期性和疏密程度不尽相同，导致生物液晶态结构在不同方向的物理、化学和生物特性的各向异性(anisotropy）。
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0 k6 Y( S1 o: w$ o        由此可以推测细胞器、细胞质、细胞外基质均是由不同生物大分子通过自组装形成液晶结构组成，生命的基本单位细胞就是由不同的液晶结构复杂体系（complex system）——“非周期性液晶结构(nonperiodic liquid crystalline construction)”。进一步，我们还可以把生物组织（tissue）理解为由类似的细胞通过自组织（self-organizing）形成的“非周期性液晶”结构。依次类推，生命个体就可以解释为由生物大分子层面、细胞器层面、细胞层面、组织层面、器官层面、系统层面的“非周期性液晶结构”组成的超级复杂体系。2 f) r' ^  I  F4 ]9 H* U1 ?: Q. ]
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        薛定谔设想遗传物质“非周期性晶体”中可以蕴含着巨量的信息在DNA双螺旋结构中得到了充分证实，另一方面，人们发现液晶态对外界的力、热、声、电、光、磁等物理环境等性能的变化十分敏感。那么，生命体中各层次“非周期性液晶结构”组成的复杂体系不但蕴含巨量的信息，还可以完成对物质流、信息流和能量流的有序组织，由此可以解释生命所呈现的信号传递、应激反应、新陈代谢、组织发生等许多奇妙的现象。# z5 Y' ^6 U& R9 G% b$ O" ]$ g7 U
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        生物体是一种远离平衡态的耗散结构（dissipative structure），物理学采用“熵（entropy）”来描述系统的无序化或有序化程度，熵值减少就意味着系统的从外界输入“负熵（negentropy）”可抵消系统的熵值增长，从而维持和发展系统的有序化。生物体的“非周期性液晶结构”是一个低熵状态，这种状态的形成和维持需要从不断环境摄取负熵，
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        生命活动使体内微环境（microenvironment）处在动态过程中，机体细胞“非周期性液晶结构”对微环境中物理、化学和生物因素的变化反应十分敏感，当环境因素变化超过一定的阈值（threshold）就会引起液晶结构相变（phase transition），从而丧失对微环境信号的响应，破坏“非周期性液晶”有序结构造成熵增加。研究发现癌细胞生物膜的液晶相变可以使膜的各向异性有序结构转变为各向同性（isotropy）无序化排列，细胞膜的平滑特性也转变为凹凸不平的毛茸状态，使细胞间的相互作用减弱，从而破坏了细胞间接触抑制的调节机能。6 o1 t0 F( ?% ^3 r& q# D8 v  b' p& u
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        薛定谔认为“一个生命体要摆脱死亡，也就是说要活着，其唯一办法是不断地从环境中吸取负熵。”癌变是一个自发过程（spontaneous process），当癌细胞摆脱组织的控制成为自主生存的个体就需要建立自己的“非周期性液晶结构”，转变为寄生生存方式，从宿主内环境中汲取负熵，造成系统整体的熵增加。6 g; S0 r1 {$ ~' i2 ]4 B

. Q8 q4 p. y9 ?6 e6 x        生命体的“有序化=非周期性液晶结构=巨量信息=负熵”，熵增意味“非周期性液晶结构”的破坏，意味着病变、衰老和死亡。+ J5 Q% @+ j( d" J, o9 P# ]
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        老狼语：cancer resulted from disturbance of biological liquid crystalline state of ECM

sunsong7

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结构决定功能，混杂群居或非结构细胞（富熵结构）容易积累突变，而结构有序的组织（负熵结构）可以延缓癌症发生...4 U: [4 `0 x  M

. N4 X$ E- j% t/ i! E: L! h* g' F( z【参见】 http://www.stemcell8.cn/forum-re ... 235-pid-668364.html
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新疆八钢

回复 qingbao 的帖子# [4 I1 }$ L4 d9 c' Y1 `
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   生命体内的生物分子基本上是由原子经化学键构成的有机分子，除了有正负电极的不同，还有诸多化学键的差别，多数纯化后的生物大分子在一定浓度、温度、离子强度、酸碱度等条件下向体系能量最低的方向转化，在空间作三维周期性的规则排列形成晶体（crystalline），是完全可以理解的。正是蛋白质的α螺旋，DNA双螺旋等自然界精美的艺术品般有趣的晶体结构吸引和鼓舞着人们开启了分子生物学的大门。而且，有机分子在液态环境下，更容易形成有规律的晶体结构，如同能够游动的具有极性的物体相互吸引形成有规律的结构体，即晶体。
5 }  m$ ?/ J0 N1 Z5 _9 M        生命系统中液晶态结构普遍存在，如细胞及细胞核、线粒体、高尔基体、液体泡和内质网都被一层液晶态的生物膜所包裹。由于生物液晶态特殊的微观结构，沿晶格的不同方向原子排列、化学键、离子键、疏水键、分子间作用力等的周期性和疏密程度不尽相同，导致生物液晶态结构在不同方向的物理、化学和生物特性的各向异性(anisotropy）。! R* T5 W5 L1 w; [0 S6 c. |
        如同酒精可以改变水分子的表面张力，任何其他有机分子的改变都可以改变分子晶体的构成，这可能就是我们今后研究的重点。

sunsong7

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) _0 g5 l, D. U# @【转载】5 }" ^/ X  g. _3 I

准晶体（ quasicrystal）

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          准晶体，亦称为拟晶，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶不具备平移对称性，这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。9 q! }( |9 ?! K. [1 }* o* a6 k+ Q
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     获得2011年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论通讯（Physical Review Letters）上。
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     20世纪80年代初以前，科学界对固态物质的认识仅限于晶体与非晶体，而随着谢赫特曼的一次偶然发现，固体物质中一种“反常”的原子排列方式跳入科学家的眼界。从此，这种徘徊在晶体与非晶体之间的“另类”物质闯入了固体家族，并被命名为准晶体。
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      关于这种长程有序的结构，数学家在1960年代就推测出了这种对称模型。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。. X1 V1 ]  S  O+ M; B2 t
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      根据固态物质构成的原子排列规律，晶体内原子应呈现周期性对称有序排列，非晶体内原子呈无序排列。1982年4月8日，谢赫特曼在铝锰合金冷冻固化实验中首次观察到合金中的原子以一种非周期性的有序排列方式组合，具有这种原子排列方式的固体在当时理论下是不可能存在的。# z  n8 G. _% ]- M4 x
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     准晶体是其中原子的排列存在5次和6次以上对称轴的一种特殊的晶体。它既不同于非晶体，也不同于真正完整的晶体。晶体为具有平移对称的固体，即整个晶体中原子的排列都是很规则。三维晶体不可能具有5次和6次以上的对称轴，此点可由晶体学限制定理证明。而非晶体是短程有序、长程无序的固体，即在小范围内原子的排列是规则（有序）的，但在大范围内是不规则（无序）的。
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& @( t& W1 m$ O  H: r7 z: I, r7 O' m      由于原子排列不具周期性，准晶体材料硬度很高，同时具有一定弹性，不易损伤，低摩擦系数、低表面能、低传热性、不粘性、耐蚀耐热和耐磨等特点。鉴于其“强化”特性，准晶体材料可应用于制造眼外科手术微细针头、刀刃等硬度较高的工具。此外，准晶体材料无黏着力并且导热性较差，其应用范围还包括制造不粘锅具、柴油发动机等，应用前景广阔。
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# L9 A/ C$ s: Q3 o     在实际生活中，准晶体早已被开发为有用的材料。像我们最常见的不粘锅炊具，因为准晶材料具有耐蚀耐磨等特点，用于不粘锅表面更抗腐。在隔热性能方面，相比泡沫、纤维、金、银、镍、铝箔等传统隔热材料，准晶体具有密度小、耐蚀和耐氧化的优点，在航空和汽车工业的发动机等部件中，有非常大的应用价值。0 D0 M4 ^! Z0 ?, a2 E; j7 O8 j# G" O

& ^. ?( x. D: E% W9 U     以前，航空航天工业中，飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉等材料，而现在，科学家们正研究用准晶体材料来替代这些传统材料。此外，准晶体还被用作太阳能工业薄膜材料。因为准晶体具有特殊的光学性能（高的红外传导率）和足够的热稳定性（抗氧化及扩散稳定性），可应用于太阳热能工业。
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     此外，准晶体材料还可以作为结构材料增强相的应用、储氢材料、半导体材料以及热致发电材料等。目前各国化学家也正在研究准晶体材料在真空镀膜、离子注入、激光处理、电子轰击、电镀等方法制备准晶膜的应用。我国在准晶的基础研究方面，也走在世界前列，尤其是在准晶增强基复合材料的研究、准晶粉末的制备在全世界也具有优势。! D6 ?- m7 V4 x' R! g% Z
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http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%87%86%E6%99%B6%E4%BD%93
7 `! C$ b- A* Dhttp://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/10/253461.shtm?id=253461/ A! V9 D* V# P+ f
http://news.163.com/11/1006/04/7FLFHEFA00014AED.html  f+ P8 z9 h0 \% t% s3 j' p

8 V& I9 ]  U* e老狼语：准晶体距离生命（非周期性晶体 nonperiodic crystalline）仅有一步之遥

sunsong7

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zjpjcsc 发表于 2011-9-10 10:26 + W, c2 W  A3 q$ x7 W0 O& f
自从53年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构打开了分子生物学领域，一个又一个难题迎刃而解，很庆幸能活在这个科 ...

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想法很不错！已有人证实了这一思路。: D  U+ v0 T) K6 z3 i5 v. x6 @% q! B
   德国莱科学家通过追踪某一基因的祖先来追溯该基因的源头，接着确定该基因的最小年龄，发现遗传疾病主要影响地球生命最初出现时的细胞过程：可以追溯到第一个细胞那里，其它大群的基因出现在10亿年以前———此时，多细胞有机体首次出现，没有疾病同一些哺乳动物产生后出现的基因有关。（MBE：所有遗传疾病的基因有同一“祖先”http://www.stemcell8.cn/thread-38156-1-1.html）8 `- I. x2 y' z$ \0 ^) w
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老狼认为癌是成体细胞在机体恶略微环境中摆脱系统控制，返回到单细胞自主生存状态，经历了自发的体内重编程过程（或称内源性iPS）。- s/ q3 G# |! w" ^
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【扩展阅读】8 v7 k! }0 S' L2 i& t) [8 _9 Y
癌细胞的发生可能是一种“返祖”现象？http://www.stemcell8.cn/thread-32073-1-1.html
) G) [& Z9 O# z& {2 V5 h' U7 N癌基因的远古起源：与后生动物的多细胞化相关 http://www.stemcell8.cn/thread-38158-1-1.html
+ u, c0 B- q3 v* w: s癌——来自远古的鼓声 http://www.stemcell8.cn/thread-40136-1-1.html7 L  J* r9 ]- c6 E
癌也被认为是“后生动物一代”http://www.stemcell8.cn/forum-re... 073-pid-334478.html
; X! n% W' T) f" M癌甚可能是人类最古老的进化祖先 http://www.stemcell8.cn/thread-38172-1-1.html6 w) \  b9 V( p4 f5 r: f
5.5亿年前增氧事件推进动物演化 http://www.stemcell8.cn/thread-32499-1-1.html
+ h9 N/ D3 k6 y, N% R) n

zjpjcsc

自从53年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构打开了分子生物学领域，一个又一个难题迎刃而解，很庆幸能活在这个科学高速发展的时代。
5 d' c) Q: }* ]9 h# J) @& E* Y" P5 j5 a( ~; t
关于薛定谔的设想--遗传物质“非周期性晶体”中可以蕴含着巨量的信息，我在想，是不是最原始的一套遗传信息也会一直被备份在，就像电脑一样，备份之后就能还原，那如果能找到原始的备份，是不是对诱导分化会有很大的帮助？

naturalkillerce

回复 sunsong7 的帖子. x, d: I6 U0 `1 S% S

9 r2 W  \! w+ o6 c7 Z呵呵，谢谢楼主的解答，与楼主交流，让人视野开拓不少，谢谢。

sunsong7

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2 X) n, d, ]; t1 ]9 Z" x3 e回复 naturalkillerce 的帖子7 A# Q+ J' g8 Z7 A, |( Q& S. t

' h" B2 G5 A' a8 Y2 e5 p4 x) l说得非常有道理！
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: @/ T/ }2 g/ B8 U# Q宿主正常的非周期性液晶结构破坏不一定导致癌变，多数情况细胞外基质（ECM）液晶结构剧烈变化会引起宿主细胞病变，病变细胞或因熵值最大化而死亡，或被机体免疫系统所清理，或病变持续损害器官功能...癌变像新生命诞生一样对个体来讲是小概率事件，只有在其“天时、地利与人和”的情况下癌细胞历尽千辛万苦才得以存活下来。* d7 p7 o, ~+ [, l( `- d" _  y
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癌细胞是永生化的成体细胞，其生态位（ecological niche）高于成体细胞，处于食物链的顶端，采取寄生方式生存的癌细胞的熵值一定比宿主细胞要小。

naturalkillerce

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9 X6 e# M# I7 z, x回复 sunsong7 的帖子2 F' m( n: C( h

7 B" {: Z0 j2 m. C呵呵，还好，大学时学的物理没有忘记，还能看得懂，从物理和化学的角度解读非周期性液晶态结构是生物大分子层面、细胞器层面、细胞层面、组织层面、器官层面、系统层面的基本结构单元。由于低熵状态的非周期性液晶态结构在微环境的波动下，总是自发地向熵值增加的方面转变，那么要维持非周期性液晶态结构这种高级有序的非平衡状态，该晶体结构只能从外界输入负熵来抵消这种熵增加的冲动，从而保持稳定的非平衡状态。特别喜欢文中对癌症的产生原因的解释。这就相当于癌细胞剥夺了宿主从外界输入的负熵，同时由于癌细胞能够进行无限制复制，最终导致宿主的熵值处于不断增加的状态，达到最大时，宿主也就game over了。9 E3 r7 G+ X# [, }+ q

% ^7 d7 \" W9 R3 {6 |9 u最后，对“老狼语：cancer resulted from disturbance of biological liquid crystalline state of ECM”蛮感兴趣的，by the way，ECM指的是Extracellular Matrix，即细胞外基质吧。当细胞外基质的非周期性液晶态结构因微环境的波动过猛的话，破坏了非周期性液晶态的有序结构，导致宿主细胞熵值增加，使得宿主细胞性质发生改变，变成癌细胞，而癌细胞也有自己的独特的非周期性液晶态结构，也会受到微环境波动的影响而有熵值增加的倾向，只好向宿主内环境输入负熵，维持自己独特的结构。这里，我有点小小疑问：既然宿主正常细胞的非周期性液晶态结构因微环境的波动过猛，有序结构得到破坏，从而导致熵值增加，宿主细胞性质发生改变，但是也不一定会变成癌细胞啊？如果该宿主细胞熵值一直增加达到最大化而死亡，这样宿主利用吞噬体、溶酶体等机构吞噬，哪是什么使得一些宿主细胞熵值不会最大化而变成癌细胞呢？其次，当宿主细胞变成癌细胞后，那癌细胞要维持的熵值应该是要比宿主细胞维持的熵值小吧，不然，癌变后，癌细胞维持的熵值还要比宿主细胞维持的熵值还要大，那它还需要从宿主微环境汲取负熵么？

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/ }0 ^6 W' e$ T) U4 q; x5 A- W4 B
感谢楼主解答，学习！