细胞的保护机制

细胞的保护机制

林诗俊

（新疆乌鲁木齐建设路26号设计院，830002）

林瑞峰

（湖北黄岗职业技术学院，生物工程系03级2班）

摘要：本文通过对细胞的结构对水分子的速度与随机脉冲涨落的抑制作用的分析讨论了细胞的保护机制。同时提出了细胞内水分子的速率趋同效应的概念。

关键词：细胞，生物膜系统，碰撞加速，分子，随机脉冲涨落。

在《碰撞加速原理》[]

一文中对分子之间如何通过碰撞使某些分子获得较大的速度的机理进行了较为详细的分析，现简述如下：设分子A ，B 的质量分别为速度分别且碰撞是垂直碰撞的情形时，不论A ，B 的速度如何只要相遇，碰撞总会发生，为方便计，假设是B 碰A ，由动量守恒和矢量的平行四边形法则知，A 被碰后的速度为： 121,m m 21,u u 2

2212212⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛++=u m m m u u （1）

这就是说不管B 的速度如何，只要B 碰到A ，A 就会在垂直方向上得到一个分速度，这个分速度与原速度的矢量和按矢量的平行四边形法则，其大小一定大于被碰前的大小。即A 的速度被垂直碰撞后一定增大。

当A ，B 为同种分子时（1）式为：

2221u u u += （2） 在这种情况下，分子B 碰撞分子A 后静止，动量和能量全部传递到分子A 上。若分子A 依次被n 个同种分子垂直碰撞，则分子A 最终速度为：

∑+=+=++++=1122123222

1n i i n u

u u u u u L （3）

在这种情况下，所有参与碰撞的分子的动量和能量全部传递到分子A 上。若01321u u u u u n =====+L 则由（11）式得：

01u n u += （4）

从（3），（4）式可知，即使是垂直碰撞A 的所有分子的速度都很小，当参与的分子很多时，分子A 的速度仍然可以被加速到很高的速度，理论上可以无限大。当然，分子A 的速度不仅受到整个系统的总能量的限制，而且应该以光速为上限，考虑到分子有一定形状，不为刚

性球体，在分子间还存在相互作用的场力，分子的最高速度会更低。

对于一般大量的气体或液体分子，由于一个分子被另一个分子碰撞后不论碰它的分子的速度如何，被碰的分子的速度大于碰撞前的速度的可能性大于等于二分之一，小于碰撞前的速度的可能性小于二分之一。因此可得如下结论：

一个分子完成n 次碰撞，每次碰撞均被加速的可能性大于等于

n p 2

1= （5） 且与碰它的分子的速度无关。这一特性是非常重要的，他告诉我们，一个分子可以通过被一系列速度小的分子的碰撞达到很高的速度。一个连续加速过程称为一个加速片段，一个连续减速的过程称为一个减速片段，而一个分子的历程就是由一系列长短不同的连续加速与连续减速的片段组合而成的系列，单个片段的最小长度为一，即只进行一次碰撞，最大长度没有限制。只要时间足够长，一个分子会遍历系统中所有可能的速度。

上面分析的由一个分子通过n 次碰撞每次碰撞均被碰撞加速的形式属于一种连续碰撞加速形式，我们把它定为第一种碰撞加速形式。第二种碰撞加速形式是传递加速形式，它是当第一个分子碰撞第二个分子后第二个分子被加速，第二个分子碰撞第三个分子后，第三个分子被加速，以此类推的一个n 次碰撞，每次碰撞都是被碰撞的分子被加速的过程。第三中碰撞加速形式是混合碰撞加速形式，它是上面两种碰撞加速形式的两个或多个片段相互连接的n 次碰撞组成。对于气体，三种碰撞加速形式都有，对于液体基本上是第二种碰撞加速形式，而对于固体，完全属于第二种碰撞加速形式。与碰撞加速过程相反的过程是碰撞减速，一个分子完成n 次碰撞，每次均被减速的可能性小于（5）式。（5）式是n 次碰撞均被加速的概率，那么这样的碰撞要进行多少次才能保证至少发生了一次，即概率等于1呢？显然，当进行的次数

n l 20= （6）

时，至少有一次连续的n 次碰撞均被加速。

设某一系统的一个分子在1秒内平均碰撞次数为n 。，则这个分子在t 秒内每次完成n 次碰撞均被加速的次数大于等于

t n n t nl n l n 2

00== （7） 舍去l 的小数部分，整数部分表示n 次连续碰撞均被加速的次数，若l 为纯小数表示在这段时间内不能保证有一次的n 次连续碰撞均被加速。

我们知道，在生命体内存在大量的水，可以说生命体就是一个在水环境下的生化工厂，若生命体没有保护机制，水分子之间的碰撞必然的会产生很多速度很高的分子，它们足以将DNA ，RNA 等携带生命信息的生命大分子链打断，那么，生命体是怎样通过自身的组织结构来抑制产生具有破坏作用的高速运动的水分子的呢？首先，细胞通过自身表面的生物

[]2

膜将水隔离在一个小范围内（真核细胞还有内膜系统将细胞进一部分割），由于在小范围内水分子数很有限，这使得系统的总能量和水分子间连续碰撞均被加速的次数都相应减小。其次，细胞内的网状结构（内质网和细胞骨架等），尤其是细胞核内的网状结构的缓冲与阻断作用使得分子间连续碰撞均被加速的次数会大为减小，这样一来水分子的速度就不能达到具有破坏作用的速度。另一方面，由于连续碰撞均被减速的可能性也相应减小，细胞内的水分子的运动速率的分布在高端与低端出现的概率会大大减小，这种作用的直接结果是，细胞内的所有水分子的速率向最可几速率附近集中，水分子之间的速率差别减小趋于一致，这种效应可简称为速率趋同效应，这一效应使得细胞内的水处于一种适合生化反应的稳定的不同于大量的没有隔离的水的特殊状态。从上面的分析来看，病毒的保护机制是比较差的，它们仅靠一层衣壳蛋白来保护内部的遗传物质。

在分子间的碰撞作用下，会发生很多高速运动的水分子随机的在液体中的某处或多处局部集中形成局部短时高温热点，与之对应的有很多低速运动的水分子随机的在液体中的某处或多处局部集中形成局部短时低温冷点，这些随机的局部热点与局部冷点要远大于用统计物理学所计算出的涨落幅度，属于一种随机脉冲式的大幅度涨落，可称为随机脉冲涨落。过高的随机局部热点对生命体不仅破坏作用比单个高速运动的水分子更大，而且直接干扰甚至改变生命体内的生化过程。生命体中的细胞膜与细胞膜内的膜结构与网状结构对水中的随机脉冲涨落的隔离，缓冲与阻断作用使得所形成的局部热点的强度与频度大大降低，同时使局部冷点的强度与频度也大大降低，在这种作用下细胞内的水环境就保持在合适的状态，有效的避免了出现过高的随机局部热点破坏细胞组织。在这里要说明一下通过高温的水或水蒸气杀菌或蒸煮食品的问题，它们都属于通过高温破坏细胞蛋白质，淀粉等的结构的过程，事实上对蛋白质，淀粉等起主要破坏作用的是随机的局部高温热点，因此，需要有足够的时间，保证有足够的局部高温热点出现才能达到所需的效果。例如，煮肉食品，文火长时间煮不论是从效果上还是从能耗上看都是较好的。又如餐具高温杀菌（或病毒），用较高温度的水煮较长时间比沸水短时间煮的杀菌效果会更好更节约能量。

上面讨论了细胞如何通过自身的组织结构对细胞内的高速运动的水分子的速度与局部热点的强度的抑制使细胞内的生命信息得到保护，以及通过细胞的膜系统的隔离作用和细胞内的网状结构的缓冲作用与阻断作用如何使细胞内的水环境处于稳定的适合生化反应的状态。在上面的讨论中还揭示了：当气体或液体被隔离成越来越小的单元时分子的运动速率分布在高端与低端的分子数会越来越少，分子的运动速率会向最可几速率附近集中的特性—速率趋同效应。当然，在细胞内的水环境中的其它物质分子，它们的分子量一般都比水分子的分子量大，对水分子的速度与随机脉冲涨落也有抑制作用，由于这个问题不是本文所要讨论的问题，因此，在此不作讨论；对于水分子具体要有多大的运动能才能将DNA，RNA等生物大分子打断，局部随机热点要有多高的能量才能将生物大分子破坏的定量的物理化学与数学问题，本文也不打算讨论，有兴趣的读者可自行讨论。