細胞運動的機械力是如何產(chǎn)生的，一直是生命科學研究的重大課題。我們已經(jīng)提出，肌細胞依賴于滲透壓機理產(chǎn)生收縮力[1]。在非肌細胞中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根本不需要所謂的馬達蛋白，僅有肌動蛋白纖維或微管的聚合和/或解聚，由纖維裝配壓就能產(chǎn)生推動生物膜或負載前進的機械力[2]。這些實驗已經(jīng)在細胞提取液或用已經(jīng)蛋白配制的溶液中建立了體外模型。那么，在這類過程中，化學能是如何轉化為機械力的呢？本文以熱力學為基礎，介紹并從微觀流體動力學的角度來進行分析。

一、布朗棘輪（Brownian retchets）模型與布朗運動

通常纖維在加端裝配，在減端去裝配，人們曾形象地將這種“加端裝、減端拆”的現(xiàn)象稱其為“踏車”。1993年，Oster, GF.等人[3]最早用防倒轉的棘輪來描述這種踏車的產(chǎn)力機理，稱為“布朗棘輪”模型。他們指出：“這些過程把化學鍵能轉換成直接的運動，但它們不是以機械化學循環(huán)進行運作，并且也不直接依賴于核苷酸的水解”，…“因整流的布朗運動是它們的基本運作，所以我們稱這些機器為布朗棘輪”，“我們要說明這種體系不同于通常認為的蛋白馬達（例如，肌球蛋白myosin, 動力蛋白dynein, 驅動蛋白kinesin等），但那些馬達則有可能是布朗棘輪”。

他們之所以稱其為布朗棘輪，是為了區(qū)別于由工作介質(zhì)的溫度變化而做功的那些蒸汽機、內(nèi)燃機等“熱棘輪”機器。那些熱棘輪機器是通過防倒轉及活塞裝置來完成熱-功轉換的。沒有這些機器，水的汽化及燃料燃燒產(chǎn)生的高溫氣體只能向所有方向膨脹，而不能轉動或往復運動來做功。相比之下，布朗棘輪的做功是在等溫條件下通過整流布朗運動來完成的。

布朗運動指的是液體或氣體分子的隨機的熱運動，它是植物學家R.布朗于1827年在顯微鏡下觀察懸浮在水中的花粉的運動時最早發(fā)現(xiàn)的。因此，布朗棘輪是將溶液中這種隨機的、無定向的分子的熱起伏運動轉換成定向的推動力。

二、對布朗棘輪模型的評價

從Oster, GF.等人的文章看，他們提出布朗棘輪模型所依賴的熱力學理論是對的，這一點毫無疑問。熱力學是在化學平衡的基礎上建立的，它在研究一個過程時，只注重體系起點和終點的狀態(tài)，而不考慮中間經(jīng)過了哪些途徑。應用化學熱力學的結果，可知過程中的能量變化，若一個過程的自由能變小于零，就可判斷這個過程是自發(fā)的，否則就不能自發(fā)進行。但一個熱力學過程的內(nèi)部卻是一個黑箱，其具體是怎么樣發(fā)生的，熱力學并不能告訴我們。這些具體的步驟只有通過動力學才能研究。

布朗棘輪模型就是在細化這些動力學步驟時出了問題。對于遷移細胞（如新生魚鱗細胞）的前導邊緣、扁平足及線頭足等處細胞膜的向外伸出，以及阿米巴單細胞的移動等，通常稱為細胞運動。在這些細胞內(nèi)靠近前行的一邊而離細胞核較遠的地方有一片肌動蛋白纖維交織成的網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡在前邊的近質(zhì)膜處往往有些其它蛋白的�？浚�顯微鏡下觀察時類似纖維分叉，因此被稱為肌動蛋白纖維的叉端，在離細胞核比較近的另一端稱為尖端。細胞膜在向外伸出時，往往伴隨著肌動蛋白纖維在叉端的裝配和在尖端的去裝配，這些現(xiàn)象都是顯微鏡下觀察到的。稍有不同的是，在線頭足內(nèi)分布的是肌動蛋白纖維束。因此大家的共識就是，肌動蛋白纖維在叉端的不斷裝配推動質(zhì)膜向外伸出，產(chǎn)生細胞運動的機械力。

布朗棘輪模型就是在此基礎上提出的，它的細化的形象描述，我可以在此舉一個更形像的例子。就像一個人站著，兩只腳交替抬起，無論哪只腳，只要抬起，腳下就會添上一塊磚。這樣人體就會不斷升高。正在升高的人體就是不斷向外伸出的細胞膜，腳下添的磚塊就是肌動蛋白單體，不斷壘高的磚垛就是肌動蛋白纖維。

布朗棘輪模型如此唯象地、機械地描述，對于這些細胞運動還能勉強說得通。但對于由肌動蛋白纖維裝配推動的，例如，李斯特細菌（Listeria monocytogenes）、人造囊泡及涂有細菌表面蛋白（ActA）的聚苯乙烯微球的運動，還有細胞分裂前兩個中心體的分開和向極運動，眾多的實驗觀察都與布朗棘輪模型不符，但與我們提出的纖維裝配壓模型完全一致。

三、纖維裝配壓產(chǎn)生的微觀流體動力學分析

在等溫條件下，在飽和或過飽和溶液中晶體的成核、反應物顆粒的有效碰撞和無效碰撞、及任意組分顆粒的彈性碰撞，都屬于布朗運動的范疇，也稱為熱起伏。

我們考慮在飽和溶液或過飽和溶液中最早晶核的形成。當兩個構晶離子或溶質(zhì)顆粒通過布朗運動發(fā)生碰撞時，有可能把它們的“跟班水”拋在身后而結合成一個二聚體。此時二聚體周圍的微小體積內(nèi)的水分就會過量，溶解度大致減為原來的一半，原來的飽和或過飽和溶液在這一小范圍內(nèi)，就變成了非常的不飽和了。這樣以來，這個二聚體就必然要溶解，重新分開成兩個單體。同理，在剛好飽和的溶液中，生成三聚體、四聚體。。。，或更高聚合體的可能性幾乎可以排除。這就是晶體成核的自由能障或活化能。所以，在純飽和溶液中晶核的最早生成是很難的，只有在過飽和溶液中晶核才能形成。

當在飽和或過飽和的溶液中，有一預先存在的晶核或微小的晶粒，或雜質(zhì)顆粒時，在熱運動中一個構晶離子或溶質(zhì)單體，結合到預先存在的晶核等比較大的顆粒表面上，它的跟班水會沿這個大顆粒表面擴散到對面去。這是因為越大的顆粒半徑，其界面上產(chǎn)生的、指向彎曲表面里邊的水壓越小[4]，越容易向外擴散。這樣在結合位點附近的微小體積內(nèi)溶液就不會變稀，第二個、第三個，… 就會魚貫而入地連續(xù)過來結合。這就好比經(jīng)常堵塞的道路改成了單行道，將隨機的熱運動進行了整流，變成了單一方向的運動。

對于纖維聚合的情況，與結晶非常相似。作者已經(jīng)通過實驗證明了纖維在溶液中有一種很強的導流作用。當單體在纖維的加端裝配時，纖維能將裝配端產(chǎn)生的多余的跟班水沿著纖維表面擴散到纖維的另一端，使纖維的裝配能連續(xù)地容易地進行。只要游離的單體濃度稍微大于其飽和濃度，這種裝配就不需要消耗核苷三磷酸。如果單體濃度不大于其飽和濃度而發(fā)生踏車（加端裝配而減端去裝配）時，就要消耗核苷三磷酸的水解能。對于纖維聚合，是更明顯的布朗運動的整流。

關于溶質(zhì)粒子帶有的跟班水的問題，我們可以考慮某一溶質(zhì)A的濃度為1M的水溶液。其含意是指室溫下1升A的水溶液含有6.02×1023個A的顆粒（分子或離子），或每下列體積的水溶液中含有1個A顆粒。

1/（6.02×1023）升= 1.66×10-24升=1.66×10-27立方米= 1.66立方納米

當溶液濃度不是太大的時候，溶液的體積近似等于溶劑水的體積。這樣我們就可以大致算出，在上述溶液中，每個溶質(zhì)A顆粒平均帶有1.66立方納米的跟班水。

通常情況下，體液（包括細胞內(nèi)液）的滲透濃度大致為300毫摩爾每升，那么貢獻于滲透壓的每個滲透顆粒的跟班水大致為0.498立方納米。

根據(jù)肌動蛋白單體的飽和濃度，文獻值[5]為：叉端0.1μM，尖端0.7-0.9μM。我們大致取一個0.3μM的中間值，那么每個游離的肌動蛋白單體的跟班水將是4.98×105立方納米（或者4.98×10-4立方微米）。這剛好是與滲透壓相關的每個滲透顆粒的跟班水的百萬倍。也就是說，每條肌動蛋白纖維在加端每裝配一個單體，就會有萬分之一立方微米量級的水從加端流向另一端。因此我們可以理解，肌動蛋白纖維的裝配雖然是一種微觀反應，但它卻能產(chǎn)生遠大于微觀的流體動力學效應。我們可以說，在漫長的進化中肌動蛋白的使用是生命進化的最佳選擇。20170405

參考文獻

1.王孝恩 生物電與肌肉收縮的滲透壓機理. 中科院科學智慧火花：2017-02-22.

2.Tilney, LG. and Portnoy, DA. (1989) Actin filaments and the growth, movement, and spread of the intracellular bacteria/ parasite, Listeria monocytogenes. J Cell Biol. 109(4 Pt. 1): 1597-1608.

3.Peskin, CS., Odell, GM. and Oster, GF. (1993) Cellular motions and thermal fluctuations: the Brownian ratchet. Biophys J. 1993 Jul; 65(1):316-324.

4.王孝恩.（2004）Young壓力對晶核形成和晶體生長的影響. 天津化工. Vol.18 No.4 16-17.

5. L G Tilney, D J DeRosier, A Weber, M S Tilney. （1992） How Listeria exploits host cell actin to form its own cytoskeleton. II. Nucleation, actin filament polarity, filament assembly, and evidence for a pointed end capper. JCB (The Journal of Cell Biology), 118 (1): 83-93.

責編：科普知識網(wǎng)