生命科学中的科学美学论文

生命科学中的科学美学关键字：生命，科学美学，生物与生产，生物科学研究方法，概要：科学美学不仅仅在物理学中有鲜明的体现，在包括自然科学，也包括生物学，中都可以在寻得其的魅影。本文希望借鉴方老师在研究物理学中的科学美学的思路，探求在生命外在的与内在的科学美学，浅析生命的多样性与数学性，统一性高效性和在研究生命科学时一些方法的巧妙之处。正文：生命科学中的外在美1生物多样性：“鹰击长空，鱼翔浅底，万类霜天竞自由”是一句脍炙人口的诗词，其中提到的壮阔之美归结于无处不在的生物多样性。据联合国环境署最新发布的一份报告，虽然我们人类不能穷尽所有物种，生物圈中生物总数也在不断变化中，但是利用一些研究模型可以估算出地球上共有870多万种生物，其中包括650多万种陆地生物和220多万种海洋生物。目前，科学家已经了解的生物总数大约为120万种，其中已知陆生生物大约100万种，不超过可能总数的20%；已知海洋生物更少，约20万种，不超过可能总数的10%，其中仅苔癣植物就有13000种之多。而从非常小的一个病毒到重达150吨的大鲸鱼，从慢性子的蜗牛到每小时能奔跑90公里的猎豹，大自然中每一样生命都是独特的，不可替代的。如此大的数目和如此丰富的差异性不仅仅意味着我们熟知的讲述生命的电视节目，比如《动物世界》，几乎不会有大结局，而且意味着巨大的生态效益。根据初步估计，中国生物多样性每年直接使用价值为×1012元、间接使用价值(主要是生态系统服务功能中的生态效益×10(12次方)元。2生命形式的数学美：eq\o\ac(○,1)对称美：在小学数学课堂上我们就学习了对称，从几何角度来看，生物最突出的特征之一就是对称。对称，是自然界一种普遍而又奇妙有趣的现象。镶嵌天际的恒星、行星，呈球状对小巧玲珑的雪花，精巧细腻的蜂巢呈平面对称；大多数花朵呈辐射对称；有中央叶脉的叶片呈左右对称，人和鸟兽虫鱼的五官、四肢左右及许多生物大分子无不对称。甚或是一株树地面上的树冠和地下的根部都存在某种轴对称。当然，生物界里的不对称是绝对的，而对称是相对的。从生物体内蛋白质等物质分子结构可清楚地看到，原生质一般呈不对称的结构形式构成生物体的小分子化合物往往都有一定的手征性，例如糖类都是右旋分子，氨基酸都是左旋分子。这个现象被称为生物分子的“单一手征性”。我的理解，“单一手征性”是生物大分子结构稳定性的需要。例如生物体的最重要的组成部分是DNA，负责携带遗传信息。遗传信息的载体的结构特点应该是既稳定又方便复制。DNA的双螺旋结构恰恰具备这两个特点。DNA的主要构件之一是核糖。双螺旋的成功构成要求参与结构的全部核糖分子都具有相同的手征性。同样地，蛋白质结构特点也要求其基本成分氨基酸的手性相同。非对称性对于生物体的功能也至关重要。生物体的某一项功能的成功执行，例如生殖，是一系列信号在机体内各种组织和细胞之间成功传递的结果。非对称物体的另一个特征是其结构具备特异性，而特异性是信号本身及其传递过程的第一要素。生命形式的对称与手征性之间的相对关系是哲学思想的体现。eq\o\ac(○,2)黄金比例的广泛存在：在初中课堂上，我们学习了黄金比例。自古希腊起人们就对人体美进行探索，而在文艺复兴时期，人们对人自身形态之美更为迷恋，同时也感到迷惑。他们发现人体美的原因在于整体统一，多样和谐，并从中发现了许多数学规律，黄金比例就是极为重要的一条。所以后人在对“维纳斯”、“掷铁饼者”等雕塑的测量和对达芬奇的“蒙娜丽莎”的研究中都发现其形体及局部比例数据都绝非偶然地符合黄金分割率。黄金分割不是人类的发明，人类自身也是这一法则的体现，其早已存在于大自然之中。例如，树木的增高量和增粗量之比就是，这样才可以保证其不会因为“细高个子”而倒下;再比如任意两片叶片、枝头、花瓣，从上往下看，它们都把水平面的360度分为222度和137.75度，二者符合黄金比例。eq\o\ac(○,3)斐波那契的广泛存在：在高中课堂上我们学习了斐波那契数列，一些现实生活中的问题可以利用其求解。斐波那契数列广泛存在于自然界中，是自然界的一条重要数学规律。例如，仔细我们观察向日葵花盘，就可以发现两组螺旋线，一组顺时针方向盘绕，另一组逆时针方向盘绕，并且彼此镶嵌。虽然不同的向日葵品种中，种子顺逆时针方向和螺旋线的数量有所不同，但往往不会超过34和55、55和89或者89和144这三组数字。而且前一个数是顺时针盘绕的线数，后一个是逆时针盘绕的线数。这也是植物在大自然中长期适应进化的结果。植物离不开斐波那契数列，就像盐的晶体必然具有立方体的形状一样。而且，更有趣的是，由于该数列中的数值越靠后越大，因此两个相邻数字之间的比值越来越趋向于这个黄金比例值。eq\o\ac(○,4)平面上的海螺曲线是对数螺线：海螺是我们熟知的一种生物，拥有美妙曲线的它不断地出现在文学作品中，那一圈一圈盘绕、无穷无尽的曲线，不禁让人们联想到辽阔的大海或者是一个未知的世界。我们可以用极坐标系来表达这一对数曲线：极坐标下的微分方程：dr=tanα·r·dθ其中，r为极半径，α为倾斜角，θ为极角。解之得：r=e^(a·etanα·θ)=k·e^(tanα·θ)k为常数。综上所述，数学绝不是生物界中的偶然现象，更不是人们的一个数学游戏，生物只有遵循这些数学规律，才能充分利用资源，才能减少外界的侵害，才能在竞争如此激烈的自然界中生存下来。这些数学规律就像是物理学中的公式或定理，对一切现象都适用，而且简洁、完美、和谐，它在人类不断的探索下浮出水面，并互相联系，形成一个有机的统一体。这就是生命科学中数学美的体现。生命科学的内在美1生命科学原理的简洁、统一与高效前面提到生命形式惊人的多样性，但是更为惊人的是在如此复杂的外在下，控制产生这些差异的物质居然只是四种含不同碱基的脱氧核糖核苷酸。生命科学原理的高度统一、极度简洁与超高效率在这一控制产生的过程——既中心法则——中体现的淋漓尽致。eq\o\ac(○,1)简洁与统一：在探求复杂生命现象背后真正规律的过程中，因为没有意识到简洁性的重要性，科学家走了不少弯路。在那个年代，人们对生物原理的了解受到研究手段的极大限制，常常在实验中因为获得的物质纯度不高产生误判或是无法获得很高的可信度。大多数的人们都认为蛋白质是遗传物质，因为一个蛋白质内只要含有50个手性碳原子，就代表它的立体异构体能有2的50次方那么多种，那是十万亿那个数量级，他们认为这才是遗传信息的储存物质。这一思想让许多科学家在真理面前的那张窗户纸前收住了手。其中就有核素研究第一人弗雷德里希·米歇尔。但是，我们都知道最后事实证明，DNA才是大多数生物的遗传物质，物种多样性的根本来源是四种碱基对的排列顺序差异。极其复杂来自极其简洁，这一思想是没能发现规律的科学家的缺失的，也是最致命的，如果他们将简洁性作为研究过程中必须注重的一个方面，那这一发现一定会提前许多。好比计算机用0和1两个数字就实现了令人眼花缭乱的、减少了人类脑力负担的功能一样，简洁的A-T/C-G就轻而易举地表达出了这个世界上繁复的的生物多样性。eq\o\ac(○,2)高效：高度的统一就意味着形式上的高度简洁，也带来了极高的效率。一方面，DNA的双螺旋结构体现了高效性。在发现DNA是大多数生物的遗传物质之后，沃森和克里克经过卓绝的努力，在许多科学家的共同协助下完成了DNA结构的构建。一方面，双螺旋结构相对于单螺旋、三螺旋乃至四螺旋，或者是蛋白质的空间结构，具有高度的稳定性，这对生物保持性状具有重要意义，其次，双螺旋结构在翻译或者是复制时，可以通过半保留复制这一特性完美的实现遗传物质的延续，也就是说双螺旋结构一举两得，同时保证了遗传物质应有的稳定性和灵活性。DNA的双螺旋结构可以说是大自然的一个艺术作品。另一方面，中心法则体现了高效性。克里克从一开始就坚持要求在发表的论文中加上“DNA的特定配对原则，立即使人联想到遗传物质可能有的复制机制”这句话。1957年9月，他提交给实验生物学会一篇题为“论蛋白质合成”的论文，发表在该学会的论文集第12卷第138页。这篇论文被评价为“遗传学领域最有启发性、思想最解放的论著之一。”在这篇论文中，克里克正式提出遗传信息流的传递方向是DNA→RNA→蛋白质，后来被学者们称为“中心法则”。中心法则的主要内容是：遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。如果把一个生物体比作是一个功能复杂机构繁多的公司，那么中心法则就是一套自上而下的高效的政令传达机制，从DNA开始，向下到达RNA，再到达蛋白质，而我们知道，蛋白质是生命活动的主要承担者，这样就实现了DNA对生命活动的控制，就把所有生命现象背后统一规律抽象了出来。所以说，中心法则是高效性在生物学中的一个典型代表。2微观世界的奇妙方老师说过，黄山是有美感的，因为它有沟壑有起伏，同样，如果在电子显微镜下看一块铜板的表面，我同样感到很有美感，因为在铜板的表面我一样可以看到壮阔的起伏一样的沟壑。在生物学中也是有同样的道理，草原上万马奔腾很有气势，培养基中草履虫也为觅食横扫千军；生活中我们用“女为悦己者容”这样的诗词来形容女性的特点，在微观上生物大分子也有“择良木而栖”的脾气。举个例子，lariReis是一位美国女艺术家，现居旧金山，年少时一次患病，让她偶然在显微镜下见到了自己的血液样本与十几种不同药物发生反应时的状态，从此她开始致力探索科学与艺术的融合，她最著名的一套作品就是在培养基上完成的。3生命的以柔克刚在显微镜下看到的美丽景象与我们看到的人造物最大的区别是什么呢？就是生命的形态显得更加柔和，就像是一件没有棱角的完美工艺品，又为工艺品所不及。生命有一种“以柔克刚”的特性。以下是几个方面的例子。eq\o\ac(○,1)酶在工业生产中的巨大优势随着酶的相关学科的不断发展，酶在工业生产中的优势越来越明显，具体来说，酶与传统的工业生产相比具有以下六个优点：1反应能在常温、常压和中性的条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；2生产过程中不会造成严重的环境污染，符合环境保护的要求；3生产过程简单，效率高，产品质量好，生产成本低；4在遗传工程中起到重大作用，为工业生产提供了一条全新的思路；5酶催化的反应类型十分广泛。具有极其广泛的应用范围。6酶催化的反应具有极高的选择性（专一性），几乎没有副反应，反应的转化率和产率高。时至今日，与酶相关的工业产品已经走进了千家万户，在很多领域已经得到了广泛的运用，渐渐地走进了我们每个人的生活。以下是一些例子：运用行业酶名称具体作用烹饪业α-淀粉酶催化面粉中的淀粉分解为蔗糖。在这一过程中，酵母会产生二氧化碳。用于馒头、面包以及一些中西式糕点的制作。橡胶制造业过氧化氢酶催化过氧化物产生氧气，以将胶乳转化为泡沫橡皮。酿酒业麦酶广泛用于替代天然酶进行啤酒酿造果汁制造业纤维素酶降解果汁中的不溶物乳品业凝乳酶制造乳酪，水解蛋白质造纸厂淀粉酶淀粉酶用于降解淀粉至低粘性，加胶和给纸加膜生物燃料生产纤维素酶用于降解纤维素，产生可用于发酵的蔗糖eq\o\ac(○,2)数码相机各项性能至今无法企及人眼单反相机已经不是数年前那样，为专业人士所专属，由于电子科技的发展，越来越多的人们开始拥有数码相机。但是目前仍没有一款相机可以在各项性能上与人眼一较高下数码相机人眼像素亿（Seitz6x17Digital）亿对焦系统受对焦点的限制对焦速度极高，永不跑焦宽容度约8EV约15EV其他特点体积大，处理器十分有限体积小，后台的模糊识别处理器，无法用地球上的计算机来衡量（长颈鹿能否）（这就是世界上像素最高的数码相机，其体积庞大，与小巧的人眼相比，精密程度不可同日而语）eq\o\ac(○,3)人类不得不从其他生命形式中提取智慧：仿生技术植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人类所从事的技术之目的就是达到最优化和互相协调。而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。仿生技术是一项古老又充满创新的技术，从路边的小草到鲁班手中的木锯，从鸟类最为自豪的翅膀到莱特兄弟带给人类梦想的飞机，从墨鱼利用反冲作用前进而喷射的墨汁到力拔山兮气盖世的火箭，从惹人厌恶的倒钩植物种子到运用普遍的尼龙扣，我们人类从始至终就没有忽略这些来自大自然的奇思妙想。时至今日，仿生技术不仅仅在创造着巨大的财富，还在不断提升人类的思维能力，人们感受到其中蕴含的科学美学，并逐渐从相对表面、外形上的模仿深入到对原理对本质的学习。每年都会有大量的原创仿生技术问世，一下节选2012年部分优秀作品：1.大象的鼻子与机械手根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统--“仿生操作助手”。“仿生操作助手”由德国工程公司费斯托公司研制，它可以平稳地搬运重负载，原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩。2.壁虎的眼睛与新型相机壁虎的足垫并不是让工程师们获得发明灵感的唯一器官。科学家们发现，壁虎的眼睛中拥有一系列截然不同的中心区，这使得它们能够在夜间看清颜色。这种能力很少在其他动物身上发现。这些区域分别拥有不同的折射率，这使得壁虎的眼睛成为一个多焦点光学系统，不同波段的光线可以同时聚焦于视网膜上。因此，壁虎眼睛的灵敏度比人类的眼睛高出350倍，它们可以聚焦不同距离的各种物体。根据这一发现，科学家们可以研制更高效的相机，甚至可能研制出多焦点隐形眼镜。3.把牙齿镶嵌在航空器上人类牙齿的强度只和玻璃差不多，但为什么它们能够在几十年中经受各种坚硬食物的磨砺？在压力下牙齿的外层拥有一种特殊的结构，这种结构形成了一个微裂纹网络，而不会产生巨大的裂缝。一段时间后，这些微细的裂纹又可以自动愈合。如果工程师们能够在某种合成材料中找到这种不稳定的多层结构，并以某种方式进行复制，就可以研制出一种更轻、抗撞击能力更强的航空材料。当然，这种自愈合的过程可能需要很长时间才可以实现。4.不会漏气的仿蜂巢轮胎美军一直在致力于解决路边炸弹这一令人头疼的问题，而现在他们的福音来了。这种仿生轮胎由一系列六边形构成，灵感来自生活中常见的蜂巢，由于其特殊的结构其拥有极高的坚固，同时可以让重量均匀分布以实现平滑驾驶5.灵感来自甲壳虫的水壶在干旱的非洲沙漠有这样一种生物，它们在含水气流轻拂过沙漠表面时，展开自己的翅膀来使水汽凝结，从而获得对生命来说最宝贵的水分。模仿这种生物，人们发明了这种水壶，其可以以相同的原理来收集空气中的水，据试验，虽然一天可以获得的水量有限，但是足以维持一个人的基本生活，这对沙漠中生活的人们来说已经是非常难得了。三.生命科学研究方法中的美物理学的研究方法十分具有美感。生命科学也不例外。虽然生命看得见摸得着，但是许多原理必须透过表象、排除干扰才能得以发现，再加上由与研究手段的限制，许多实验无法完成，因此，科学家们必须有足够的智慧来创造研究方法。我们不妨还是以生命遗传机制的一系列相关实验来探讨研究方法之美。eq\o\ac(○,1)化不可见为可见生命遗传原理初探：孟德尔的豌豆实验在物理学中，力是不可见的，场也是不可见的，那么如何研究它们呢？这时就必须化不可见为可见。如力可以使物体发生形变使物体的运动状态发生改变，而小磁针在磁场中会发生偏转，我们可以借之来研究力和场。同样，生命的遗传物质在孟德尔研究生命遗传机制时也是不可见的，孟德尔采用了通过观察遗传物质的外在表现：性状，实现了他极为经典的豌豆实验。在孟德尔之前，融合遗传大行其道，为大多数人们说接受。这一学说认为，红色花植株和白色花植株后代的花色应是两者的中间值，也就是粉色，这显然不能解释许多现象。约从1856年到1863年，孟德尔进行了8年的豌豆杂交实验。豌豆通常是自花受精的，但是孟德尔人工地将一个高的同一个矮的品种进行杂交，获得了只产生高植株的种子。当这种种子自花受精时，它产生的高植株和矮植株是3:1。这样产生的矮植株总是繁育同样的后代，但是三个高植株中只有一个如此，其他两个仍是以三与一的比例生出高和矮的植株来。利用这样化不可见为可见的研究方法，孟德尔提出了远远超出当时科学水平、极具科学远见和想象力的学说：孟德尔遗传定律。这一定律的提出代表着生命遗传面纱的揭开，代表着近现代遗传学的真正开端。化不可见为可见是孟德尔做出这一巨大贡献的关键之一。eq\o\ac(○,2)类比思想萨顿对遗传物质所在位置的假说在物理学中，类比是非常