微觀世界:人類是否能夠走得更遠?

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如果沒有電子就不會有電子顯微鏡,那麼人們便看不到上圖這張花粉的特寫。

設想一下,你現在不再是人類的大小,將你縮小到細菌那麼大——大約是現在體型的一百萬分之一,在這個尺寸下,你不再被引力所束縛,而粘度才是決定性的因素,這時你在空氣中的運動狀態更像是在粘稠的沼澤中遊泳。

你的細菌同伴們吵鬧地從你旁邊經過,他們的能量來自於可逆的旋轉發動機,這驅動他們以高達每秒20倍身體長度的距離前進。如果類比的話,這個速度在人類世界中需要藉助發動機才能達到。

細菌是很容易找到食物的,營養物通過分子擴散就輕易到達細菌的表面。然而,細菌也和大型生物一樣,會被捕食者獵取,也可能被病原體感染。

對於我們人類來說,這種拇指湯姆(注:西方童話故事,湯姆比大拇指還要小)的宇宙並沒有太多的意義,人類更多地關心能夠看到和觸控到的物體。事實上,直到英國發明家羅伯特·胡克(Robert Hooke)在1665年發明瞭顯微鏡之前,人們對微觀世界一無所知,是光學的發展將人們帶進了這美妙的微觀世界。

生命是永無止境的藍圖

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從那以後,人類對於生命的極度複雜性的認識覺醒了,時至今日我們仍然在為之努力。我們必須接受的事實是一茶勺的水、泥土或冰裡面充滿了上百萬從沒有被發現或命名的微生物。這種令人眼花繚亂的多樣性在地球每一個角落和縫隙中都存在著。人們嘴裡的每個牙齒上都有至少100,000個細菌;火車和公共汽車欄杆、座椅和其他設施上正進行著名副其實地細菌動物園的狂歡,更不用說還有食肉細菌了。

然而,這並不是微觀世界的全部,讓我們一起進入更小、更復雜並且更離奇的生命奇觀吧。

微觀顯像下的生命過程

傳統的顯微鏡能夠達到微米量級,而現今的21世紀,感謝X射線和鐳射技術,人們可以觀察到納米或者說十億分之一米的原子量級,可以記錄下某些支援生命的最基本功能,比如光合作用的精彩瞬間。

由X射線成像快照製成的電影(一秒鐘可以得到100萬億張影象)展示出在光合作用過程中分子機器的內部工作。在綠色植物的光合作用中,周圍圍繞著蛋白質的錳原子將水分解並將二氧化碳作為食物吞掉。大自然也利用同樣的機理,配合著電子傳輸反應,產生了地球上生命所必須的氧氣。類似的電影還可以展示當光線到達人的視網膜並與光敏蛋白質接觸時所發生的反應。

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這樣的影像可以使科學家們對許多生物學和藥學上的重要課題進行更深入地研究,有助於研製出更有效的藥物促進醫學的發展;植物學家通過微觀影像瞭解光合作用對於植物王國的驅動力和無數依賴這個過程生長的生物有重要的研究意義。

建立於微觀世界中的全新工業

納米科技的快速發展使得人類社會邁進了嶄新的階段。人們最直觀的得以受益的方面就是在醫學領域,應用納米生物技術會發展出新的更有效的藥物,例如藉助X射線或鐳射生產出用於治療高血壓的藥品。此外,納米生物技術會更積極地致力於精確地模擬生物機理,模擬出當作為載體的納米顆粒到達癌細胞時的具體行為,為癌症患者提供一線生機。

目前,人們正在進入“加工分子”的時代。在不遠的將來,會製造出足夠小的能在分子量級工作的“納米機器人”,使得它能夠操控細胞內的分子過程。也許有一天它們會足夠微小而把藥品送到特定的分子部位,這樣或許有一天“納米機器人”也可以做手術。

科學是一把雙刃劍

微觀世界並不是人類能夠直接影響的設計,用常規的手段幾乎不能瞭解它的執行規律。這就意味著這些過程也會有有害的一面,迄今為止,人類還無法全面控製可能的風險。

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回到人類現實的大小,在現實世界中人們有例如環境影響評估和毒藥學測試的測評程式,這些概念能否應用於納米工程分子結構?也許有一天人類的垃圾回收中心(或者甚至是垃圾填埋場)堆滿了具有複雜納米結構的電子垃圾,而人們對其可能帶來的環境影響一無所知。

這可能過於科幻了,但是在一些化妝品、顏料、服裝等產品中已經應用了可能會有潛在風險的礦物納米顆粒,其中一些肯定會進入宏觀世界,比如從人們的淋浴廢水進入汙水處理廠。有人猜測其可能在水體和土壤中“野化”了,然而這些推測隻是來自細粉或塑料,它們的表面可以成為無機和有機汙染物的載體,但是它們比納米顆粒要大得多。這些問題目前還沒有引起汙水處理行業的重視。即使是那些名聲在外的一級汙水處理廠也隻處理病原體,幾乎不關注納米顆粒廢物。

納米顆粒的尺寸、形狀、表面積和在寬廣的大自然中的行為使得人們無法設想如何最好地控製它們。因此,應用納米科技時,應充分考慮其對大自然的影響,將可能的風險降至最低。

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