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超分子体系——天然水质香精
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超分子体系——天然水质香精 我发现一种奇怪的被子植物，它通过非光合作用将太阳的光能转化为该植物所需的化学能。它极可能是一种古老的被子植物。它的奇怪特性可能是由于经历过那非凡的协同进化过程所获得。那就是：在生物的进化长河中，由于地球遇到了灾难，外界环境发生巨大变化，日光不足，天昏地暗，气温下降，空气中氧含量达到某种程度的缺氧。水中更是如此，一些微生物在这种极恶劣环境条件下，为了生存开始寻找避难所，即侵染进入到上述奇怪被子植物中，而该植物也缺氧，几乎需氧的生化反应都停止了。怎么办？是等待灭绝还是获得新生，这些内生微生物与宿主植物只有一种选择，那就是，在遗传特性、生理、生化等方面，必须相互取长补短，互助互利，互惠共生，渡过了那极恶劣环境，生存下来，接着经历漫长的协同进化过程，存活至今天。这来之不易啊！这些内生微生物分别包含生物三域中的物种，一种古生菌、一种细菌、一种水生真菌以及原生动物。它们经历了这非凡的协同进化过程，使它们获得一些优良遗传特性，并形成丰富的代谢系统。例如，宿主植物能将太阳的光能通过非光合作用转化为植物所需的化学能，并储存在一种凋亡细胞内（水生真菌就是从这种细胞中分离出来的），凋亡细胞的凋亡是正常的生理现象，凋亡后剩余的残留物，依靠水生真菌来识别，而降解依靠几种内生微生物共同来完成。又例如，在缺氧的环境条件下，这些内生微生物能与植物的外植体，在水溶液中形成互惠共生关系，共建共生体。 今天，我们正以这些内生微生物为菌种，在水溶液中，在缺氧的生物反应器中，对芳香植物的外植体（如新鲜的花朵、果实等）进行发酵，然后模拟上述协同进化过程而进行的进化工程，构建互惠共生的共生体。这个过程有如下特点： （1）发酵过程产生大量的气体，使生物反应器内产生正压，又为下一步的进化工程提供能量支撑和生理与生化做预准备。 （2）在其过程中，菌种细胞与外植体细胞的相互作用表现为：菌种侵入到外植体组织内部以及细胞内，而侵入到外植体细胞内的不是采用掠夺宿主细胞的蛋白质、脂肪、碳水化合物等生物大分子的方式很快使宿主细胞死亡，而是与宿主细胞共同构建一个共生体，互惠共生。在这个过程中，菌种和外植体细胞所形成的共生体共同演绎了化学生态过程和分子生态过程，共同建立可持续生存的内外环境条件。共生体向培养液分泌出某些物质，它就是我们所需要的产物，即天然水质香精。另外，在芳香植物中的许多芳香发挥性组分是不溶于水或难难溶于水的。而经过该生物工程，其香精转化为水溶性的。这从有机化学结构理论上解释不通，只能从超分子化学去解释。下面就来介绍一些基础的超分子化学的知识。 超分子体系粗略分为如下几类： （1）通过共价结构形成的多组分超分子化合物。 （2）典型的、分子聚集型的超分子体系，如冠醚、环糊精。 （3）分子聚集体系，如表面活性化合物分子在不同溶剂中的胶束形成。 （4）薄膜或界面组装的超分子组合体系。 （5）在水溶液的配合下，通过（多组分）组分分子之间的其他弱分子作用构成的超分子体系 该体系中，每个组分所固有的特征在超分子体系中依然保持，从整体来看，其性质不应是各个组分性质的简单加和。在水溶液中，通过组分分子之间的其他弱分子作用构成体系。在这种体系中超分子通过自发组装过程形成具有特定结构和功能特征的聚集体，包括胶束、胶囊、囊泡等。它在生物科学的共生体中构建微环境的组成部分；它具有刚性和流动性之间的精巧的平衡，其功能有待进一步探索。 超分子体系的三大科学问题是：分子识别、分子输运和化学反应。实际上，这三点就是人们长期在对生物体某些过程研究的基础上而提出的。其中的“分子识别”和“化学反应”应当说是人们从酶系统的研究和认识基础上发展起来的。“酶”对底物分子的特征和专一性识别，使人们对这种以不同弱相互作用力为机制的“识别”形式，有了深刻的认识。而“酶”对于底物分子的高效反应特征，使人们认识到当化合物分子处在超分子的条件下时，因各种不同力的存在和作用，可导致出现分子键的弱化和易于发生分解反应等重要的结果。这里可以看出，在超分子化学概念形成中，生物科学所起到的重要作用。从生物科学的观点看，最重要的反应类型是天然产物的选择性聚集，进而形成分子配合物、膜以及细胞。可以这样说，生物体内细胞的生成，酶-辅酶-底物配合物的形成及其催化反应，以及药物和生物受体间的相互作用等，均是生物体内不同物种间选择性的作用结果，而其间的驱动力就是它们间存在的各种不同的弱相互作用。生物反应的另一特点是反应的环境效应，它包括环境的极性及其形态和尺寸。经过长期演化而构成的生物体环境内的结构和极性，决定了体内存在的各种不同物种的分布和运转。亲水环境以及由细胞与生物大分子所构成的弱极性空腔，是使生物反应之所以具备定域选择和立体选择效应的关键所在。在生命科学研究的发展过程中存在着一个有趣的现象，这就是人们对研究和考察的对象，逐步的从大变小，而近年来则出现由小变大的趋向。研究考察对象由宏观发展到微观，从细胞水平发展到分子水平应认为是科学研究工作的进步，而研究对象或研究着眼点则由小变大，如由分子水平发展到超分子水平，也是因为科学的进步。这说明人们已认识到，在生物体内由弱的相互作用所引起的分子聚集问题具有十分重要的作用。 总而言之，我们所获得的天然水质香精极可能是来自生命的超分子体系的产物，极可能是生命科学中共生体所构建的具有刚性和流动性的精巧平衡的微环境的组成部分。这就是对天然香精的进步和发展所做的一份努力。 结束语 化学尤其是超分子化学与生物学有双重关系。大量的研究涉及的是具有生物和生物模拟特性的物质和过程。化学家将生物的自然化学过程的威力借鉴过来用于化学的目的，如酶作为化学试剂的使用、催化抗体的产生等等。在这些方面已发生了深刻的变化。反过来，化学家对生物过程的详尽的考察，使他们在精确的分子基础上理解这些过程，也得到了通过恰当地设计物质来作用于这些过程的方法。因此，化学和生物文化密切地联系在一起，已靠得越来越近。 今天得到的推论为：过去人们在较低的层次，用物理和化学的方式，从天然动植物中，获得天然香料（或香精），如精油。就天然植物香料来看，以芳香发挥性组分为小单元，尽管已经组装了，但未组织化，它们介于生命和非生命之间，即在生命有序和纯化学间的过渡。而我们在较高层次通过上述生物技术，其中共生体以共建微环境的形式，来调控这样一个超分子体系（天然水质香精），即通过控制此超分子结构、功能和组织来架构一座桥梁，给出生命和非生命之间的连续性。天然香料（或香精）在较低层次与  较高层次的性质是有所不同的。天然香料（或香精）的复杂性的最高层次是在物质的最高形式，即活的物质——生命中表达出来的，……。 |
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