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。
771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871中州学刊2001年第6期学语言所具有的高度通用性及逻辑简明性等,可满足各种现代科学门类发展过程中所需要的确定形式和逻辑关系。
可以扩展对研究对象中许多未知的认识领域和关系的理解,增强对新学科的认知手段。
采用数学化的方法把研究客体的运动规律和结构规律等抽象起来,可建立一种相对直观的抽象逻辑关系。
而这种逻辑关系的确立往往比实际经验和感性认识更加有效促进新的科学理论的产生。
出于生物体本身结构、功能等方面的复杂性,运用数学手段可以有效地提高人们对各类生命运动复杂规律的认识程度。
通过实验得出可靠的结论,合理运用、推断诸变量之间的关系,从而可以寻求数学结构的合理性。
所以目前生命运动规律中各种基本数学模型的建立,对生命系统的时空构成及其各类生命功能进行了定量描述。
对于化学而言,数学化正是化学由定性化向定量化过渡的重要基础。
同生物学的数学化过程一样,借助计算机等现代计算工具,加强数理逻辑及其计算数学的应用研究,同时采用更为广泛数学手段的诸如泛函分析、图论、概率论、拓扑学等,从化学体系和化学运动的整体性上把握其复杂性。
化学仿生学尤其需要对其模拟的生物原型的数学模型充分认识,才能在化学领域的实验合成、结构测定、性能表征以及理论分析等四个方面取得与生物原型一致或近似的结果。
所以从数学的角度揭示出生物学与化学领域的共同特征,对于化学仿生学的产生和发展起到了积极有效的促进作用。
21模型化是化学仿生学的基本方法化学仿生学实际上是通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的—种科学模拟方法。
在数学化的基础上,以模型与原型之间的相似关系为基础进行模拟,这样对于原型的模型化就成了模拟方法的关键。
辩证唯物主义认为,作为一种一般科学认识方法的模型化,能够成功地从理论上提出科学所面临的课题,有效地对现代科学知识进行综合提炼,同时考虑到不同门类科学的差异,在模型化过程中适当引入修正因素,使得所建模型更趋合理化。
在化学仿生学的研究过程中,首先要将生物体的快速有效的化学反应、能量和信息传递、物质输送等功能模型化,因而模型化就构成了主体与研究对象之间的过渡环节。
作为一种间接的研究方法,它能使我们在模型研究的基础上获取我们所研究对象的知识。
所以在由实验模型化到理论模型化的发展过程中,实际包含了分析和综合、归纳和演绎、抽象和具体,最终在实践中得到修正和检验的辩证发展过程。
一旦模型本身由认识手段转变为认识对象,也就完成了模拟的全过程。
由于化学仿生学的最终目的是通过模拟生物的结构或功能原理而进行的更高层次的技术创造,相应的模拟方法也就根据被模拟的生物体原型所具有的不同数学模型、结构模型和功能模型一一对应。
目前化学仿生学领域中功能高分子材料、人工膜技术、活性酶催化剂的开发均是遵循这一原则进行的。
随着应用过程的开展,相应产生的新理论等则需要以模型研究为基础,实现由旧理论向新理论的过渡,所以说模型化是化学仿生学发展不可或缺的一环。
三、化学仿生学的实践性人类区别于动物最显著的特点就是能动地改造客观世界,利用自然界为人类服务。
化学仿生学的目的亦在于此。
近几十年来,化学仿生学领域取得了举世瞩目的成就。
譬如模拟蜘蛛吐丝结网的结构和功能所创造出的人造丝的喷丝头已经在生产中得到了广泛应用,而对于蜘蛛丝的化学性能和组成的研究还在深入研究之中,通过不断地探索,相信不久的将来人类能够开发出可与之性能相媲美的高分子材料。
从自然界获取学术思想源泉会极大地改善人类的设计思想及创造途径。
大量事实证明,人类认识世界、改造世界的能力是无穷的,不仅要求人类从自然界得到启发,去创造各种奇迹,而且可以根据生物规律“创造”生物本身,最近出现的“克隆”技术就是一个最好的例证。
总之,以上从化学仿生学产生、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,目的在于证明人类可以充分发挥自身的主观能动性,借助当代科技发展日趋整体性的优势,改造自然,同时又向自然学习,对生物特性扬其所长,避其所短,从而更好地为人类创造一个美好的明天。