互动科普

打造分子发动机

R．Dean Astumian（缅因大学物理学教授）

《世界之战》（The War of the Worlds）的主人公在伦敦西南一座房子的废墟里蜷缩成一团，对火星人使用的技术之古怪感到大惑不解：

在火星人的各种器械中．最令人惊异的或许莫过于选样一件怪事，无论是什么器械里，你都找不利地球上人类的几乎所有机械装置中都不可或缺的一个部件

——轮子。

先进技术可使我们认为绝对不可缺少的东西成为过时的玩意。眼下这种情况正好就发生在一个蓬勃发展的领域中。作为物理学，化学与生物学三大学科相结合的产物，该领域的目标是研究并建造分子尺度上的发动机和泵等微型器械。这些微型器械一般部没有转子，电枢以及传统机器中常见的其它所有部件，但它们的古怪之处远不止于此——最令人惊诧的是：在常规发动机中，能量是用来引起运动的，但在这些微型发动机中，能量却是用来使运动停止。乍看起来这些装置似乎应该属于一类我们完全陌生的技术，但实际上它们却是地球上最常见的一类发动机，构成了所有活细胞内部运作的基础。

我们在日常生活中随时随地都会看到许多宏观机器在运作，这些宏观机器给我们留下的物理直觉到微观世界中是行不通的。微观世界的特性十分古怪，其中起支配作用的是热涨落与量子涨落。对于分子来说，确定性的运动好比是在飓风中行走，此时推动粒子沿若既定路径前进的力与周围环境对粒子施加的随机的力相比是微不足道的。但细胞却在这样的条件繁荣昌盛起来它们不停地运输物质、泵送离子、建造蛋白质，并四处移动它们从一片无政府状态中建起秩序来。

过去几年中，研究人员终于开始领悟到其中的奥妙之所在。我们在这方面所获得的基本认识可以用“布朗棘轮原理”这一太精确的术语来概括，它的要点就是随机噪声这一现象可以为我们所利用。奥妙在于必须对噪声进行一番打整，滤除我们所不需要的随机成分，只留下我们所需要的东西。这一原理与所谓“随机同步”的现象十分相似——增强一个信道中的噪声，实际上反而可能使传送信号变得更为容易（参看本刊1995年12期《背景噪声的好处》一文）。

利用化学方法．研究人员设计出些能够一次操纵一个分子的微型发动机和装置，这些微型机械模仿蛋白质发动机和泵在活细胞中的功能把化学能转变为机械功，其转换效率几乎达到100％，并能够执行其它一系列任务，包括分子组装，精细筛分，低能耗计算以及半导体质量控制等等。研究人员长期以来一直梦想着能够一个原子一个原子地摆弄物质，而微型机械可能就是把纳米技术的科学神话转变为科学现实的第一步。

制动变运动

在分子世界中分子的剧烈撞击是家常便饭，即使宏观世界中异乎寻常的雹暴与其相比也只能算是小巫见大巫，但它们的效果却可能差不多。通常你把你的汽车停在山脚下，关上发动机片松开紧急刹车时，汽车不会自己爬上山去。但是你可以设想一下下面这种情景。每秒钟有几百颗冰雹撞在你的汽车上，这些冰雹来自四面八方，其撞击是完全随机的。每颗冰雹部把很少一点动最传递给汽车，使其向前或向后移动一段微小的距离。传递给汽车的动量平均来说等于零，但在任何一段时间中汽车朝一个方向移动的距离总是比朝另一个方向移动的距离多一点。

你可以通过一种非常简单的方法来利用这些随机推力。把一块砖垫在汽车的后轮下面，使汽车不能向后移动，然后等待一颗冰雹把汽车向前推。如果汽车向前移动后你却袖手旁观什么也不做，那么它很快又会退回来。但如果你趁汽车向前一动立刻把砖头跟着向前塞，那么砖头就把汽车定在了一个新的位置上。把这一过程继续进行下去——每当汽车向前一动立刻使砖头跟着前移——你就可以使汽车沿着街道开下去，甚至可以使汽车爬上一座山。

要在冰雹倾盆而下的一场剧烈风暴中使砖头跟着一辆移动的汽车前行，你必须异常的眼明手快。幸运的是，只需用棘轮（即只允许机器朝一个方向运动的装置）来代替标准的刹车，便可以获得相同的效果。棘轮也是一种齿轮，但它的齿是不对称的，并且它还有一个棘爪，即可以挡住齿轮，使之不能向后转动的短臂。在旋转式栅门或韩轮扳手中，棘爪是弹簧支承式的。这样一种简单的棘轮机构可以使汽车一直保持前行。然而，由于只有很小一部分冰雹（即那拥有较大的动量、足以克服弹簧作用在棘轮上的力的冰雹）能够产生使汽车向前移动的效果，因此汽车的移动将慢如蜗牛，令人万分恼火。

一个较好的改进方案是使棘轮的齿朝相反的方向偏斜，并用刹车踏板驱动的活塞来代替弹簧支承的棘轮，当刹车松开时，活塞处于分离状态，这时汽车可以自由地朝前或朝后移动。而当驾驶员踩下刹车踏板时，活塞就嵌入齿轮中将其锁定，这样汽车也就无法移动了。

这种改进了的棘轮使驾驶员无需进行仔细的测量，也用不着费脑筋进行什么操作。驾驶员所要做的事情就是呆在汽车里踩刹车。由于齿轮的齿是偏斜的，从后面撞在汽车上的冰雹只要多几颗，就足以把汽车向前推进足够远，使齿轮向前转过一个齿，而从前面撞在汽车上的冰雹其数量必须多得多才能推动齿轮向后转过一个齿。齿的这种不对称性保证了即使刹车是随机地踩I并松开的，汽车也能向前移动。这个系统的美妙之处在于它不需要任何同步，也就是不需要通常的发动机中不可缺少的精确定时。

冰雹施加于汽车上的净作用力在整个时间上的平均值为零。汽车向前的移动是通过踩刹车来实现的。当驾驶员踩刹车时，活塞就紧贴到偏斜齿的坡度较平缓的一面上。这个系统的三个要素（即不对称的棘轮齿、冰雹所引起的频繁抖动以及踩刹车时提供的外部能量）缺一不可，少了其中一个整个机制便失效了。

不消说，对于真正的汽车，这样一种装置是完全不现实的。匆匆作一点简单的计算便可以发现，驾驶员以合理的速率踩刹车，充其量只能使汽车获得每小时1公里的速度，相当于每秒前进汽车车身长度的十分之一。作用在汽车上的最大力相当于重力的一百万分之一，因此汽车最多也只能爬上非常平缓的坡。

但是如果汽车极其微小（比如说只有一个分子那样大）并且浸在水中，那么此机制的效率就高得多了（参看第44页图）。水分子与小蛋白分子的质量比，同冰雹与汽车的质量比差不多。不同之处在于，水分子与蛋白分子每秒要碰撞几十亿上百亿次之多。这些碰撞产生人所共知的一种振动，即布朗运动。但人们还不清楚的是，微型棘轮是否能够利用布朗运动来把无方向的能量转变为有向运动。小蛋白分子的速度可以达到每秒1微米（比它自身的尺度大10倍以上），相当于汽车的速度达到每小时100公里。棘轮机制能够克服最多为10皮牛顿的力(1皮牛顿为10-12牛顿)，将近作用于一个分子上的重力的100万倍。

两种随机过程合起来可以产生一种非随机的效果，这一点令人惊异，但却是千真万确的。马德里Complutensian大学的物理学家Juan M．R．Parrondo最近证明，同样的原理也适用于靠碰运气取胜的游戏。如果你在两种游戏问转换，每种游戏单独玩都是输多胜少，但合起来却可能扭转局势，使你赢面较大。

第二定律的威力

物理学家对此作出的第一个反应是，棘轮可能违背热力学第二定律，因此，不可能把随机的热涨落转变为机械功。Richard Feynman在其著名的《物理学演讲》中分析了装在一个明轮上的棘轮。如果棘轮能够防止明轮倒转，那么分子碰撞就将使明轮不规则地而又坚持不懈地向前转动（参看第45页图）。其结果就得到一种第二类永动机，也就是违背热力学第二定律的永动机。（第二类永动机不会凭空产生能量，因此它并不违背热力学第一定律，也就是能量守恒定律）。

但是Feynman指出，这样一种装置不依靠外来能源是无法工作的。棘爪必须通过弹簧安装到棘轮上．而弹簧本身又受热噪声的影响。热噪声不时使弹簧收缩，导致棘爪升起，这样整个机构就过早松开。由于齿轮的齿是不对称的，因此这时棘轮最有可能倒转回一个齿。如果明轮和棘轮的温度相同，那么分子运动所引起的明轮朝前转动的趋势以及不可靠的弹簧所引起的明轮向后转动的趋势恰好相互抵消。尽管表面上看起来似乎很有道理，处于热平衡状态的棘轮系统实际上是会转动的。

当系统未处于热平衡状态时，这一限制就不再起作用了。如果明轮的温度比弹簧的温度高，那么凭直观我们可以知道棘轮将沿反时针方向转动。如果弹簧的温度较高，那么棘轮将沿顺时针方向转动，即棘轮通常要防止的一个转动方向。只要一偏离平衡态，就会产生由棘轮所推动的运动。促使系统偏离平衡志的因素——不论是什么因素——都将向系统提供能量。对汽车来说，能量来自踩刹车的脚。当汽车进入被锁定的状态时这一能量就耗散为热。因此，这些系统遵从热力学第二定律。

虽然分子水平上急剧变化的热梯度报罕见，但其它形式的不平衡态却非常普遍。三年前，波士顿学院的有机化学家T．Ross Kelly及其同事通过一项巧妙的实验阐明了这一点。他们用triptycene和helicene台成出了Feynman的棘轮。triptycene是一种呈Y形的有机分子，它起着明轮的作用；heficene则是一种G形的有机分子，它充当棘爪和弹簧。由于heficene的结构中有一个弯角，因此，这只明轮顺时针方向转动比逆时针转动容易。尽管存在这种不对称性，但核磁共振谱分析(NMR)证明，顺时针转动与逆时针转动的次数恰好一样多，与Feynman的预言完全相符（参看本刊l999年第5期“科学与大众”专栏中George Musser所著《驯服麦克斯韦的小妖》一文）。

然后Kelly的研究小组加入了一种非衡的化学过程，即光气的水解(水解就足由水驱动的分解)。这样就有一个羟基烷基团附着到棘爪上，一个氨基团附着到明轮的一张叶片，它们合起来起着制动器的作用。每当这张叶片接近棘爪时，在光气的激励．两种基团发生反应使明轮不再逆时针转动，其净效果就是大多数明轮沿顺时针方向转动。这个系统算上一台真正的分子发动机（如果把制动器松开然后又踩紧，明轮就倾向于返回其出发点）但是它显示了分子发动机的基本概念。其它研究小组采用不同的棘轮机构，实现了连续的转动。例如，以格罗宁根大学的Bert L．Feringa为首的一个研究小组用光来驱动分子发动机。

离子泵与布朗筛

最近的某些实验表明，至少有一部分生物发动机是通过类似的方式运作的，其中一个例子就是离子泵，即推动带电粒子穿过细胞膜的蛋白质。离子流动的天然趋向是从电化学势较高的地方流向电化学势较低的地方，但离子泵能够驱动离子沿相反的方向流动从而维持对生命至关重要的电化学梯度。

离子泵看来是以一种更简单的工具(即离子通道)为基础的离子通道是一种生物整流器：它只允许电流沿一个方向流动。典型的离子通道是一个长约l0纳米的漏斗状蛋白。离子可以从漏斗的口部向其尖头运动，但不能沿反方向运动。为了把这个整流器转变成一台泵，还需要有某种机制来调节漏斗口部的大小以及离子与通道的相互作用的强度。通道的形状非常适合于进行这样一类调节，因为它起着杠杆的作用：靠近漏斗尖头的原子只要有一点很小的移动，就能在漏斗口部引起相当大的变化。使漏斗口周期地打开并关拢，离子泵就可以推动离子从漏斗的尖端经漏斗底部流出来正如反复地踩汽车刹车就使得齿轮朝着与人们预计相反的方向转动一样。

三磷酸腺苷(ATP)——细胞所使用的燃料——的水解正好就是把离子通道转化为泵所需要的机制。我们采用简化的描述来说明这个问题，此时泵有两种可能的状态。当泵处于第一种状态时，漏斗的口向着细胞内部打开，而离子则与通道内部产生强烈的相互作用。当泵处于第二种状态时，漏斗的口对细胞内部关闭，而离子与通道内部的相互作用则减弱。ATP的结合有利于第一种状态，而水解产物的释放则有利于第二种状态。这一过程与运河船闸的工作原理很相似，但二者有一个关键的区别：离子泵不需要任何控制机制来使水解与离子的运动同步。只要随机地在蛋白质的两种状态之问反复循环就足够了。当向内的闸门打开，且离子通道的能级较低时离子自然地从细胞内部进入通道而当向内的闸门关闭，而能级较高时，离子就流到细胞外部。20世纪80年代中期，本文作者、当时在约翰霍普金斯夫学的Tian Y．Tsong以及我们的同事证实了这一棘轮现象。我们将一个交变电场加在离子泵上，观察它如何驱动离子逆着电化学梯度的方向移动（即由低向高移动），尽管此时ATP没有发生水解。

另一个例子是Kinesin，即一种在细胞内部运输蛋白质的分子叉车。Kinesin由两个松敞附着的区域构成，沿着一条名叫微管的轨道运动，而微管则由许许多多单独的微管蛋白分子构成每个分子长约10纳米。Kinesin与微管之间的电位通常呈锯齿状，其能量位垒阻止Kinesin从一个微管蛋白分子移动到下一个微管蛋白分子。在布朗模型中ATP分子的水解使这一电位变成平坦的形状，并通过随机碰撞的作用推动Kinesin移动。水解产物的释放使电位重新变为锯齿状，它可能也起着推动Kinesin分子向前的作用，但要看Kinesin已经漂浮了多远。

这一描述Kinesin运动的布朗模型与传统模型的根本区别在于：分子的形状在其中起着关键的作用。Kinesin的两个区域就像两只臂一样，一次松开。个微管并向前摆动，就像沿着游乐场中的monkey bars向前移动一样。这一理论明确预测，如果取掉Kinesin的一个区域，那么所得的分子就不能沿着微管运动了。1998年东京大学的Yasushi 0kada与Nobutaka Hirokawa用一个带电的氨基酸环取代fKinesin的一个区域，使Kinesin的形状发生变化，但结合能则基本上没有改变。这个新分子的移动速度几乎和正常的双臂Kinesin一样快，而证实了布朗模型的理论。

布朗运动也可能在一系列生物分发动机中起着某种作用，这些分子发动机具有种种不同功能，例如构成人的肌肉（见47业附文《肌肉收缩的新理论》），组装人的蛋白质，合成ATP组合并分开DNA，穿过人的细胞膜运送白质，当再需要蛋白质时把蛋白质分解掉，等等。在某些情况中，关于布朗运动的作用，其证据不是很明确的，研究人员目前仍在争论到底发生了什么情况。但有一点非常清楚：任何微观机器要么是利用布朗运动，要么就得设法对付布朗运动，二者必居其一。现在看来人们似乎倾向于前一种选择。

布朗棘轮原理使科学家和工程师们获得了一种全新的手段来驾驭微小尺度上的物质。首批用途之一是把粒子按重量分离开来。这一分离过程相当于微观世界的沙里淘金。粒子受到随机涨落的作用时(无论是通过抖动盘子还是通过布朗运动的作用)，越重的粒子其运动的速度就越慢。9年前．巴黎工业物理与化学学院的物理学家Armand Ajdari以及居里研究所的物理学家Jacques Prost完成了建造分子筛的最初若干步。不久前康涅狄格州纽黑文的生物技术公一J C Uragen的Joel S．Bader及其同事建造了一种分离DNA分子的装置与传统的分离方法(如电泳法、离心法以及蒸馏法等)相比，他们的方法可望具有更高的精度并改进选择性。

在上面列举的所有各类棘轮中，棘轮电场只有开启或关闭两种状态。然而，1996年，本文作者与Martin Bier(当时都在芝加哥大学)提出，可以利用3种电场状态，即正、负或关闭这3种状态。通过这几种状态之间的转换，布朗筛可以使较重的粒子朝一个方向运动，而较轻的粒子朝另一个方向运动粒子可以连续不断地从布朗筛装置的中间输入，在筛的两端收集起来，然后送入另一个调节到不同质量上的筛内，如此反复进行下去，而每一级的筛都使粒子得到更精细的分离。这样一类筛不但可以按质量分离粒子也可以按大小或电荷分离粒子。普林斯顿大学、芝加哥大学、麻省理工学院以及渥太华大学的理论家们此后把这一原理推广到了二维上。

两年前，Alexander van Oudenaarden与Steven G Boxer(当时都在斯坦福大学)建造了一个实用的二维筛。他们利用电子束光刻法在一块玻璃片上刻出一个由许多高25纳米的不对称挡板所组成的图案。然后他们向这个微型迷宫注入一种电中性的磷脂分子流体，在其中部分磷脂子中掺入各种电荷并施加一个电场。电荷推动带电的分子穿过挡板，由于带一个电荷的分子比带两个电荷的分子移动得慢，因此它们在位于挡板之间的空间中时，侧向滑动的时间更长，不对称挡板使磷脂分子倾向于沿一个方向移动而不是向四处扩散开来。等到带电的分子移动至玻璃片的另一端时，这些分子已经按电荷的多少分离开来了。

量子飞跃

棘轮进入量子世界只是时间迟早的问题。4年前，德国奥格斯堡大学的Peter Hanggi及其同事提出了一个十分撩人的想法，即各种量子效应(波函数之间的干涉作用、能级的量子化、电子通过隧道效应穿越势垒等)可以产生另一种随机化的力。在低温环境和微小尺度上这些效应将取代布朗运动而发挥作用。借助量子棘轮，研究人员可以精确地控制单个电子，而无需用电场来对电子进行精确度差不多的操控。

此后，Charles M．Marcus（当时在斯坦福大学）及其同事用一个量子点做出了电子泵，使其充当两个较大的电子存储库之间的一条通道，而且此通道可以通过静电门加以关闭。Marcus的研究小组把电压反复加在量子点和静电门上，就推动电子一个一个地存两个电子库之间来回移动。由于他们的系统始终处于接近平衡的状态，这一过程是可逆的，从而使能量的利用可以任意小。

两年前，本文作者与Imre Derenyi(当时都在芝加哥大学)设计了一种类似的机制，使电压能够急剧而随机地变化。这样一种系统将是本质上不可逆的(泵送电子的方向与各步骤执行的次序没有关系)因此浪费也更大。但它也有自己的优点，特别是作为一个不可逆化学反应（例如用来驱动离子泵的那些反应）的模型，这个系统还有其它一些潜在用途，包括用作分子计算机中的电子泵以及存分子尺度导线的沿途对信号进行放大等。

与此同时，Heiner Lillker（以前在瑞典伦德大学)及其同事们则使用了三角形的量子点。三角形可以充当棘轮，因为电子更不容易挤过三角形的顶点。当用振荡电压来调制这种内在的不平衡性时即使平均电压为零，也会产生一股静电流。改变温度，可以调节电藏的方向。当温度较高时，这一装置起着热棘轮的作用：电子比较容易从三角形的顶点流出，因为它一旦穿过顶点挤了出去，再想通过顶点回来就很困难了。当温度较低时，这一装置就变成了一个量子棘轮：电子从三角形的底部流出，因为这一方向上能量壁垒的宽度较小，从而使电子更容易通过隧道效应穿过去。量子棘轮除了在电子学中有种种用途外，还可以用来消除超导体中产生的涡流，从而解决磁体和超导导线中存在的一个老大难问题。

这些设想使我们在兜了一圈后又回到出发点。一个世纪以前，布朗运动对于证明原子的存在起了极大作用。布朗运动也有助于解释化学反应的速率：此速率取决于热噪声与电斥力之间的平衡。(热噪声使分子聚集起来，而电斥力则使分子相互远离。)生物学在吸收了这些概念之后，把它们归纳为非平衡化学反应驱动的生物输运的一种可能解释。而现在则是生物系统启发研究人员设计出用化学方法合成的分子发动机和泵、复杂的筛以及量子整流器等等。因此现念的交流刚好颠倒了过来，但进展绝非是靠碰运气取得的。在不远的将来，利用化学(而不是机械工程)的原理，我们或许能建造微米级的工厂，这些工厂将把纳米大小的部件组装成实施微型外科手术的发动机、把工厂(或许还有我们的细胞)所产生的有害废物清除掉的泵、以及控制这些过程和其它过程的分子计算机所用的晶体管。

世界之战的结局是毫不起眼的微生物打垮了貌似强大的火星人，这说明小有小的优势，以小胜大是完全可能实现的。

制动光

靠制动器驱动的汽车尽管看起来十分怪异，但它的道理与原始的分子发动机是完全一样的。7年前，物理学家Albert J Libchaber(当时在普林斯顿大学)和他的同事们作了一个精彩的实验。他们让一颗微米大小的塑料珠漂在一杯水里充当“汽车”，并用光束来摆弄这颗塑料珠。穿过塑料珠折射的光的压力推动珠子向着光强度最大的部位移动。一道光束产生出一条圆形的光径充当“道路”，珠子就被限制在这条道路内。另外一束可以反复打开并关掉的光束则充当“制动器”，这一光束迭加在道路光束上。制动器光束形成一系列明暗交替的区域，其中光强度最强与最弱的地方的位置分布是不均匀的(见右图)。从某一光强度最大的地方沿顺时针方向前进，只走很短一段距离就到了下一个光强度最小的地方，但如果沿反时针方向前进，则要走一段较长的距离才到达一个光强度最小点。这种不对称性相当于机械棘轮中歪斜的齿。

当制动器光束打开时，塑料珠沿光强度增大的方向移动。在到达下一个强度最大的位置后它就停下来。只要制动器光束开着，它就一直停留在这个位置上。在制动器光束关掉后．塑料珠就沿着圆形道路随机漂移。如果它漂过了一个最小点，那么此时再打开制动器光束将把它推向下一个强度最大的位置。由于光强度分布的不对称性，塑料珠沿顺时针方向移动的可能性更大，其净速度取决于制动器光束打开与关闭的频率。当此频率增大时塑料珠的速度也随之加快，真到速度快得布朗运动跟不上为止。

同汽车上坡的例子一样，这个系统的运作不需要测量，不需要任何刻意的安排，也不需要动脑筋。即便制动器光束的开关是完全随意的，这一系统照样能够运行。

肌肉收缩的新理论Toshio Yanagida

布朗棘轮理论取得的意外成就之一就是为肌肉收缩找到了一种新的解释。生物医学研究人员早已知道，屈曲一块肌肉将引起两类丝状物（分别由名为肌球蛋白和肌动蛋白的蛋白质构成）相互沿着对方滑动。这些分子把储存在三磷酸腺苷(ATP)中的化学能转变为动能，其转换效率为50％左右。即使化学能的强度只是刚刚超过环境热量所代表的噪声的强度，这一转换过程也能起作用相比之下，人造机械（例如电动机和汽车发动机）其工作的能量远大于热噪声的能量。分子发动机为何能达到如此高的效率呢？

一项传统的理论认为，当肌球蛋白分子切开ATP分子，获取能量并改变其形状时，肌肉便收缩，在这一过程中，肌球蛋白就便爬梯子一样，把一根肌动蛋白丝向前拉动一步。这一模型现在仍然很流行，因为它假定肌肉的收缩与一般发动机的工作原理一样，是一个容易理解的确定性过程。然而，问题在于，通常的发动机在收缩的时候，其效率将会降低而不是提高。

为了解决这个矛盾，我们开发了一些新的技术来操纵分子并测定微小的运动与力。这些技术包括荧光示踪、特殊的短距照明(称为消散场，evanescent field)、激光捕获扫描探头等等。这些努力终于在4年前结出了丰硕的成果。

我们发现，肌球蛋白和肌动蛋白的行为其实并不是确定性的肌球蛋白以5.5纳米到27.5纳米之间的步长随机地跳跃，每一次跳动的步长部是55纳米的整数倍，这正好就是肌动蛋白丝中肌动蛋白分子的间距。肌球蛋白跳过的一步不论有多长，都对应于消耗掉一个ATP分子。有时肌动蛋白甚至会向后而不是向前跳动。这些发现很难用传统模型来解释，但与布朗棘轮的机制却吻合得非常好。虽然许多问题依然存在（例如ATP究竟是如何把髓机的布朗运动转变力向前的运动），但基本的构想可以解释细胞收缩为何且有如此之高的效率：细胞收缩不是要想方设法对付噪声，而是化敌为友把它利用起来。

Toshio Yanagida是顶尖的生物物理学实验专家之一，现任大阪大学医学研究生院教授。)

【陈兴芜／译 向俊／校】