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。5 [: g( _% V  T8 @) Q# `) B0 k1 I

& p1 i9 U! b; R- e5 n        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。
: V2 d4 Z" B! @5 g& ]
( ^' k! V; H; C' H. Y+ H4 F9 @5 R        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）。. V% l& R6 D3 K0 f

- l4 q: U: l, T  c# ?& |        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。* z/ c/ ]- h+ p9 k0 e3 X
7 H; |; h# }2 R
        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。3 P/ J2 F# m, M6 r: `
0 D2 O1 K3 ]0 r! B) G
        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，3 n3 |0 N$ Y  u6 ?& c
7 J: s1 D* ?5 g, L0 B" ~
        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。
+ S5 v- Z( E' l# d5 M1 {. ?8 M
' _; E8 M6 {* S0 G- W        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。8 m: e3 \7 R3 P3 c
4 `& A. Z$ g# I# L& V. [
        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。. c/ D0 T/ E9 W
7 Y" B6 S! W; L; \0 C) q' x, D
        老狼语：cancer resulted from disturbance of biological liquid crystalline state of ECM

weiyepan

液晶态这个翻译不太准确，我觉得应该叫液态晶，或者叫流态晶

sunsong7

回复 weiyepan 的帖子1 t- `2 g2 Y( b$ E0 Q9 A% H9 _* k& n
/ O9 {5 H# P: k! ~
英文“liquid crystalline state”这个术语在中国大陆翻译为“液晶态”，台湾地区翻译为“液态晶”。

液态晶应该是与固态晶体相对应的一种液态晶体的形式吧。但是我觉得液态晶似乎更抽象一些，我对液态晶不太懂，也没看过什么资料，只是想从自己比较熟悉的固态晶体说一点想法。
/ M6 f0 T- }4 b- U* ^% ], t  E1 @6 F8 F9 v- F$ Z6 X" n
楼主的趋势分析我觉得还是很有道理的，但是我猜想，生命体内的液晶结构只是一个部分现象。就像固态物质，并不是所有化合物都能有结晶能力一样，有的物质原先没有结晶能力，改变一下条件可能可以促成其结晶，但是有的物质是永远也不可能成为晶体的。所以，液晶结构在生命体内存在，但只是部分现象，很多结构并非以液晶结构形式存在。熵是一个热力学概念，热力学上对熵的定义和计算是通过统计学的方法得到的，体内的熵增，局部的液晶结构的破坏只是因素之一。
+ a5 v$ [' w4 W1 f# Y! _4 O6 D$ n( _  Y
既然楼主意图从统计学的思路来理解这个问题，建议您不妨利用一下统计学的方法，对这些相关的影响因素作一些显著性和一致性等性质的分析，可以得出影响因素的层级，哪些是关键因素，哪些其次，甚至有些因素对于造成癌变无足轻重。好像有一些现成的软件可以利用。' w$ l  P$ e& S* c3 E
/ d- D' |0 Q% [, V# z
固态晶体，到目前为止出现过的，是有公认的晶体结构数据库可以查询的，液态晶研究到什么程度不太清楚。' @1 l& |. L% T& _1 ~

! N* L0 ^6 J; W" J1 N. |3 k! g

sunsong7

2 y8 Z& B' T. W+ Q5 w

1 Z* V9 l! L& L0 S回复 qingbao 的帖子( t! D& N; ]/ B) D/ y* F, B
& j! \0 v3 f- d
液晶态并非生物体系的局部结构，老狼以为：
% ]7 m# w) K$ ~( I( D1 \- m: n: F* J8 s: _
1. 液晶态是健康生物体的基本结构，存在于一切组织中，如脑、血液、肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经组织等均为液晶结构；) q3 [$ [* @3 u( L$ Z/ {
, g$ f8 b) b  I% s' y
2. 液晶态决定一切生命现象，如新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等；$ M; t0 @; C* \% Q: N

; n* R0 w- s) W9 ^; `5 M3. 液晶态的相变决定了一切疾病的发生，如动脉粥硬化、镰刀细胞贫血症、胆结石、肾结石发生了液晶物质聚集沉淀、固体结晶析出等，癌细胞类脂相及凝集素蛋白质的液晶相变引起接触抑制消失、细胞融合等。
. M& M( t3 N6 v4 v, I% h% y  R& R* M4 \. R
4.生命与非生命的根本区别在于“非周期性液晶结构”，决定了生命复杂体系的高度有序性，生物液晶态就是信息和负熵，液晶态破坏导致熵增，熵值最大化生命消亡。, I7 T+ N/ c8 C4 H# _6 r

( v$ T* K1 ?2 Z【扩展阅读】生物液晶辞典（A  Dictionary of Biological Liquid Crystals） http://www.stemcell8.cn/forum-re ... 154-pid-461484.html

回复 sunsong7 的帖子
  {- P5 D& [0 F4 q8 i9 R! D( A2 ^' b. A
请教sunsong7兄，对于一切生物体都存在某一种结构，这显然是一个非常大胆的假设，是什么证据或者关键点让您可以如此肯定？好奇+ Z. d7 b( @7 r5 N$ y0 N* |& \

回复 weiyepan 的帖子) B9 E' }8 M$ K
6 T( j2 q6 R2 a# U/ Z

+ L- j0 l( S5 E' v/ N- L4 M
% k  @7 l1 d8 ]6 M7 E, t液晶态，介于固态和液态中间的一种状态，但是具有类似晶体的性质。
" L5 Q, n& V. f- G5 B% e0 m3 G& u
( H! @' M) l( O. [) f* {这么看来，液晶态比液态晶容易理解。

sunsong7

* z) R- j9 B7 d
9 W8 M2 P* u* `  P回复 qingbao 的帖子
. z1 R. \# v& m; I6 Y  l' X4 S4 H9 z$ j" d; E
1. 分子水平上已证实蛋白质、核酸、多糖、脂类等生物大分子均可通过自组装形成液晶结构；, }( j# P5 y4 d' K1 R9 V2 n

! k8 {$ R7 R5 l2. 亚细胞器水平已证实细胞核、线粒体、高尔基体、液体泡、内质网的膜结构等均具有液晶结构；
; y& y4 z0 d  X8 S$ j5 o0 y4 Z
& G& g0 o" r0 B+ s3 X: W3. 细胞水平上已证实细胞-细胞，细胞-细胞外基质相互作用具有液晶性质；
  d) X, |; T0 E
7 E* J4 ]. s) \$ t  ^9 f# [  `4. 组织水平上已证实脑、肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经等组织均具有各向异性，即液晶结构；
; D5 A3 m& F6 ^, c8 @5 W# E3 z& r& }0 G
归纳起来，任何器官都是由肌肉、上皮、神经等具有特定液晶结构的组织构成，如由此推断——生物组织=非周期性液晶；( P2 p" {0 \8 R' m
* i" t% a" {- W& y

经典的生物液晶结构图集

  J% U1 p: A3 y: |' _
# G+ }2 a. p3 l* c
【转自】显微镜下的世界http://www.stemcell8.cn/thread-15340-1-1.html. T" _5 `2 z: N* T, i* o5 i1 W
1 q! N% y+ g0 R5 a* t% \% A  K/ @" R
$ u, J4 x9 y  j; S4 X# k
红血球/ \) F# }3 Z& F0 V. S

# k+ Y' c, [- q7 d7 n- G
" `5 K9 A1 y' d/ R3 X: c9 b耳毛细胞' [% r5 N/ s( U+ n! S

7 |% u* M, s/ r' ^4 ]  L老鼠小脑的矢状切面
( i+ H  Z4 U6 U2 r. n/ p8 n; j+ _; m/ I& {) b

+ g4 ]1 t& j! d; n3 v! y' r老鼠成纤维细胞的纤维肌蛋白和微管结构蛋白; & f) y8 o2 m- V/ U) Z3 i

$ V+ c0 g3 o% f7 I2 w$ N! D3 U3 |9 P- B5 u/ J1 e
膀胱平滑肌
5 E9 K5 m8 `1 G: ^$ f+ M4 T$ R; @- X! t* _  z% w6 ?/ t
& [3 X% b# p% D! p- H2 W6 a
神经干细胞
' `. h& Q3 B" @, j% w
6 g( g1 b% {0 |% c, [, o
8 w. E: K/ n) x小脑神经胶质细胞( C( z  k$ }( Z

5 L! h+ N7 J( @
/ U8 b  h- B1 r; W* ?6 j1 f" ]6 D0 o
金字塔神经元
) f. o/ o7 Z; q
& `7 v- `$ T, S2 s8 g% D/ `1 B1 M7 t7 |2 {( h1 P
老鼠视网膜%' B3 I9 X7 }" F& m/ s, ~- l

7 {7 b6 n4 v0 i( x; k" _* @- x( |; j+ c; s4 {  v
犬科嗅球"7 S. N; `  j7 @. D8 q. `# i5 p
5 o7 c9 e3 _3 y- R/ A

1 P" E6 w6 ~; J! i+ p/ f老鼠的视网膜里的一个神经子集
/ h/ ^2 e. L: n% x
$ R: ^1 d' |! P
7 E5 \' w  A: j9 b老鼠的海马状突起, E, `2 h$ {$ }  [) E8 G3 O( S
, t# T7 [. R- ~0 C" v  w
" [1 V+ L$ h% B3 v2 [5 a

3 Q5 ~3 z; |3 P0 l小鸡的视网膜
0 V5 I" w2 l1 X3 Z% `- W- j0 X: N, ]  `, M8 U7 G) X
; R2 K4 J& g) g/ B  j) y
水曲柳切片

sunsong7

0 ]( s' I$ L2 H对生物液晶图像进行分形研究，可用于疾病的早期诊断，如美国克拉克森大学的研究人员发现对来自12位患者的300个细胞样本进行分形检查，其准确度接近100%，达到甚至超过传统生化检测方法在单细胞水平上的检测能力。（分形几何学可精确识别癌细胞 http://www.stemcell8.cn/thread-46030-1-1.html）6 g' \: n6 N3 o- S. ~; I

8 N: F- x8 D7 g% p4 k4 M
6 [/ V0 A- ~* F' I. \癌组织液晶结构紊乱

回复 sunsong7 的帖子
* ]8 ?7 v1 m& {0 R' `) i( C# H
( g& |9 L, P1 A1 i感谢楼主解答，学习！