| 纳米机械的过去和未来 |
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作者：思议 文章来源：不可思议网 点击数： 更新时间：2006-4-21 1:11:45  |
子作为它能量的来源，另外一些分子被再加工成了用来制造、修理、移动和自我防御的零件。DNA储存着装配和操作所必需的信息，一代一代的传下去。一种RNA（信使RNA，mRNA）充当了信息的临时脚本，“告诉”核糖体制造哪种蛋白质。膜为工作部分提供了隔间，包含控制分子进出细胞流量的入口，控制着感知细胞环境的分子。蛋白质（通常与其它分子共同作用）构成了细胞内的一切，并在必要的时候移动它的部件。
细胞所采取的制造它自身零件的策略——从而复制和修复它自身——是基于两个思想。第一个是，使用单一的、概念化的直接化学过程——聚合——去制造大的、直线型的分子。第二个是制造自身本能的折叠成为具有功能的三维结构的分子。这两部分策略不需要一个困难和复杂的三维“抓取和放置”装配过程：它仅仅把珠子（例如氨基酸）串成项链（多肽），并且使项链自我装配成一台机器（蛋白质）。这样，最终的功能三维结构的信息变成了珠子顺序的编码。细胞中最重要的三类分子——DNA、RNA和蛋白质——全都是基于此策略而制造出来的；蛋白质随后制造出细胞中的其他分子。在许多实际情况下，蛋白质自然的和其他分子——蛋白质、核酸、小分子——联合起来形成更大的功能结构。作为一个制造复杂的三维结构的策略，这种在不同分子自我装配水平上的直线合成方式具有无与伦比的效率。
细胞在本质上是催化剂（促使化学反应发生的分子，但是它本身不会被消耗）和其他功能种类——感受器，结构元素、泵和马达的集合。细胞中的绝大多数纳米机械根本上是分子催化剂。这些催化剂执行细胞的大多数工作。它们制造脂类（例如脂肪），脂类依次自我聚集成围绕细胞的薄层；它们制造自我复制所必需的分子组件；它们产生细胞所需的能量，并控制它的能量消耗。它们建立档案和工作信息纪录；它们通过适当的操作参数修复内环境。
在这些细胞“雇用”的不可思议的分子机械中，存在四座宝藏。核糖体（由核糖体RNA，即rRNA构成）是一个关键：它处在信息和操作的结合点——在核酸和蛋白质之间。它是一个格外复杂的机械，它从mRNA得到信息用以制造蛋白质。
叶绿体存在于植物细胞和藻类中，它拥有复杂的结构，内含作为光学天线的分子阵列，它收集来自阳光的光子，把它们转化成为可以储存在细胞内部供许多操作使用的化学“燃料”。顺便说一句，叶绿体也从水中分解出氧气，从而在生命刚刚出现的时候“污染”了大气：我们赖以生存的原料竟然来自于细胞光合作用产生的废料！
线粒体是发电厂：它进行受控的有机分子燃烧，这些分子存在于细胞内——通常是葡萄糖——并且为系统产生能量。与（发电机）驱动导线中的电子从而使电动机运转不同的是，它产生ATP分子，ATP分子通过扩散作用运动到细胞的各个部分。ATP是很多生化反应基本的能量提供者。
细菌的鞭毛马达是一个专用的，但是特别有趣的纳米机械，因为它看起来很像一个人类尺度的马达。鞭毛马达是一个高度结构化的蛋白质集合，被固定在许多细菌的细胞膜上。它能提供旋转运动，转动鞭毛——长鞭状的结构，作为细胞的螺旋桨推进器使它们在水中前进。它有轴，就像一台电动机。环绕轴的结构如同电动机的电枢。鞭毛和电动机的类似之处在很大程度上是虚假的。鞭毛马达不通过电流产生磁场而运动，而是使用ATP的分解导致分子形状的变化（它们包含了精巧的分子棘轮结构），从而驱动蛋白质轴转动。
纳米马达和电动机在表面看来十分相似
仿照人类尺度机械的纳米机械
我们能够通过制造我们所发明的大机械的微型“表兄弟”，而达到细胞纳米机械那样一流的效率吗？微加工已经成为了一项相当成功的技术，它用以制造微型电子器件——晶体管和芯片其他的组成部分。将这些技术应用于具有可移动部分的简单机械——机械振荡器和可移动反射镜阵列——在技术上是成功的。所谓的微机电系统（microelectromechanical system,MEMS）的发展非常迅速。但是这些机械的功能还相当简单，它们是微小机械，不是纳米级的机械。第一个真正的纳米尺度MEMS（NEMS，纳米机电系统）仅仅在过去几年中才出现，并且只是实验性质的。
很多有趣的难题困扰着带有活动部分的纳米器件的装配。一个至关重要的问题是摩擦和粘性（在谈论微型器件的时候我们使用“粘着这个缩 上一页 [1] [2] [3] [4] [5] 下一页 |
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