自然辩证法与化学仿生学的发展

2001年11月中州学刊Nov.2001第6期(总第126期)Academic Journal of Zhongzhou No.6

文章编号:1003—0751(2001)06—0177—03

自然辩证法与化学仿生学的发展

蒋元力1,　孔　青2

(11郑州大学北校区化工学院;21中州大学成人教育学院河南郑州450002)

摘　要:本文从化学仿生学的发展历程出发,根据辩证唯物主义原理,从必然性、可能性、实践性等三个方面阐述了化学仿生学产生的意义和哲学基础。对于化学仿生学产生的根本动力、发展基础以及研究化学仿生学的有效工具和基本方法进行了详细论述,并对化学仿生学的现状和前景进行了分析和展望。

关键词:化学仿生学;必然性;可能性;实践性

中图分类号:O6-05 文献标识码:A

当代科技发展的一个显著特点就是科学的整体化发展趋势。科学的整体化发展既表现在各个学科领域内部各分支之间的相互作用、相互综合及相互影响,同时也表现在不同门类的学科领域之间的相互作用、综合及影响。这种整体性更深层次的发展体现为不同学科领域的彼此渗透和相互融合,要求我们从整体上把握科学的内在统一性,正确认识不同学科体系之间的相互作用。

化学仿生学就是在现代生物学的一个主要交流———分子生物学的发展推动下出现,并发展成为一门横跨化学与生物学领域的边缘学科。

一、化学仿生学产生的必然性

11社会的需要是化学仿生学产生的根本动力

恩格斯曾经指出:“科学的发生和发展一开始就是由生产所决定的。”人们进行生产,进而改造自然,必然要不断地通过新的科学技术手段来满足自己的需要。一旦新的科学技术出现,一般会很快地运用于生产实践。随着科学技术水平的整体进步,生产领域中同时也不断地产生问题,迫切需要科学技术能够有新的突破。

科学技术发展到二十世纪中叶,人类所创造的技术装置日益复杂和昂贵,但是工业、农业、医药、航天、海洋开发和军事技术等方面的要求却越来越高。当技术装置在功能、可靠性和效率等方面不能满足要求时,促使人们去寻求新的技术原理。另一方面,现代工业也为科学研究提供了许多新的仪器、设备,借助它们人们可以探究生物体的种种奥秘。自1960年以来,仿生学正逐渐成为一门独立的学科。作为仿生学主流之一的化学仿生学正是化学家们在生物体原型上谋求到了新的学术思想之后,在分子生物学的发展推动下产生的,成为一门介乎于化学和生物学之间的边缘学科。

化学仿生学的主要手段就是模拟,以生物为原

收稿日期:2001—08—28

作者简介:蒋元力(1970—),男,河南永城人,郑州大学北校区化工学院副教授。

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型,模拟其行为制备成某种物质或者模拟某种行为来满足实际的需要。然而,化学仿生学不单是对生物界模拟的一种技术手段,其产生过程和研究方法又可促进对各种生命现象的研究。诸如可以采用具有近似活性的简单络合物,该类络合物中可含有与生物活性络合物相同的金属离子,尽管在选择性和反应速率等方面均不如生物活性络合物,但作为一级近似,可以通过大量合成该类金属络合物的方式来模拟进而观察单个生物活性络合物的行为(如模拟SOD歧化酶)。更深层次的模拟是在掌握活性中心基本结构的基础上,模拟活性中心来合成出具有一定选择性和反应效率的化合物(如模拟合成固氮酶)。最高级的模拟则是将活性中心置于特定环境甚至整体结构之中来发挥其作用,该类模拟才能真正地实现在模拟生物体功能方面质的飞跃。由此可以看出,在上述三种层次上的模拟过程中,一方面通过对原型的认识加强而不断改进模型,另一方面在不断改进模型使其逐步逼近原型的过程中,人类也对原型即生物本体获得了越来越多的认识。因此,把对模拟的间接研究与对原型的直接研究结合起来,将生物体内的诸类反应在生物体外模拟进行,进一步提高了研究的主动性。如果在此基础上模拟生物体内多种物质的协同作用,甚至模拟生命运动的全过程,可对生命体本身发生、发展、演化的规律进行深刻的揭示。该过程实际上构成了一种相互促进的正反馈关系。所以社会的发展需要化学仿生学通过模拟生物体原型来创造出具有类似功能的物质或者过程,来满足人类自身的需求;另一方面,通过化学仿生学的研究手段,可加深对生命体本身的认识,满足人类探知生命奥秘的需求。

21现代生物学和化学的发展是化学仿生学的基础

20世纪初,生物科学的发展在传统生物学发展的基础上出现了质变,即生物学由对生命自然界的历史与现状的描述,转到对生命本质及动植物有机体根本特性定向变异的研究。

就分子生物学而言,其产生一方面是生物学采用统计或者归纳等手段来解释无穷多样的事物本质与如何应用一般的概念体系来解释相结合的结果;另一方面,也是运用物理学、化学、数学和控制论等对具有较高物质运动形式的生命运动来解释的结果。它的产生实际上也蕴含了复杂物质运动形式与简单物质运动形式的对立统一的发展过程。

当把生命现象的遗传变化规律在分子水平上进行研究时,可以通过脱氧核糖核酸和核糖核酸的化学变化规律深入进行研究,从而揭示生物过程中化学反应过程的具体形式。生物学和化学之间的相互联系正是现代科学技术整体性发展的一种表现。

分子生物学的产生目前已经成为现代科技革命的一个重要标志。它的出现使得作为复杂物质运动形式的生命运动可对较低运动形式规律在较高的物质结构层次上进行阐述。所以通过对DNA核酸成分的分析,可从本质上揭示不同物种之间的差异,进而对于传统的生物学研究对象及范畴有了本质的认识。随着对生物体遗传信息物质载体———DNA的三维结构深层次的认识,目前已经迎来了生物学发展的新时代。DNA分子双螺旋结构的发现使得人们在分子水平上对生命遗传现象有了全新的认识。因此分子生物学的发展正是生物学利用物理———化学方法解决生物学基本问题的结果,而控制论反馈原则为物理———化学与生物学之间架起了桥梁。所以这不但使得人们对生命自然界的认识进入了一个全新的阶段,而且对于认识生命的方法论本身也具有划时代意义。

当今时代包括化学学科在内的各种基础学科均已由表面统计发展到了掌握微观规律的阶段,如何正确把握实验Ζ理论Ζ方法三者之间的矛盾运动和辩证关系则成为能否确保学科健康发展的关键。在当代科技革命的呼唤下,化学在生命科学中寻找到了两大应用领域即生物工程与化学仿生学。在化学学科的高速发展前提下,基础化学与应用化学之间的矛盾运动反映在这两个应用领域中去则成为促进其发展的内在动力。而借助与种种先进仪器手段诸如各类能谱仪及其各种激光手段,会进一步提高研究的有效性。总之,现代化学学科的发展为化学仿生学的产生与发展提供了动力和物质技术手段。

二、化学仿生学产生的可能性

11生物学与化学的数学化是化学仿生学研究的有效工具

现代科学技术发展的诸多规律,譬如新学科的相对继承性和独立性,各种学科门类之间的相互渗透、交叉作用等,均可找到适当的数学表达方式。数

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