煮不熟的雞蛋清

郭昊天

如果物質系統有著一種均勻的物理化學性質，我們就稱之為這個系統的一種相態。人教版初二《物理》會講到自然界中存在的物質三態——固態、液態、氣態。溫暖的春天，冰雪熔化成水；寒冷的冬天，湖水凝固成冰；涼爽的清晨，空氣中的水蒸氣在花草上液化成露珠；炎熱的午后，濕衣服上的水珠很快就汽化成水蒸氣飛走了，這是水在固、液、氣三相之間的相互轉化，也就是水的相變。

去油污的物理學—油水分離相和表面活性劑

相變的過程無處不在，從廚房中取材，就可以觀察：

首先在玻璃杯里加一些水，再倒些食物油，你盡可以像個調酒師，把油和水混合均勻，但是只需將你的“雞尾酒”靜置片刻，它仍然會發生上油下水的分層，這就是水油二相的相分離，也是相變的一種。像食用油的油相物質就是喜歡和水分離而不愿意混合在水中，所以附著了油垢的鍋碗、衣物，很難被水沖洗干凈。不過只要加上一些洗潔精，問題就迎刃而解了。原理說來也簡單，洗潔精是一些小的有機兩性分子，一端可以結合油（疏水性），一端可以結合水（親水性），這樣，他們就可以包裹起油滴避免和水接觸，使得油以小液滴的形式穩定于水中。類似的兩性分子我們統稱為表面活性劑。

既像油又親水—生物大分子的兩種相

生命是由許許多多的大分子構成的，比如DNA、RNA和蛋白質。這些分子雖然大，也逃不脫物理和化學規律的制約。比如蛋白質本身就是一種兩性分子，很多蛋白質表面分布大量的親水基團，而在內部則有大量疏水的氨基酸，像一個被洗潔精包裹的油滴一樣，能非常穩定地溶解在細胞內豐富的水環境中。

那么大分子還有沒有別的相呢？可以想象，蛋白質也可以通過疏水的氨基酸相互結合，聚集成團，產生一個個更大的“蛋白滴”，和水之間產生相分離。如果結合力再強一些呢？這些蛋白質的聚積物就會像一個固體一樣，水潑不進，蛋白質也別想出得來。煮雞蛋，就是這樣一個讓液態的蛋清、蛋黃變成固態的過程，加熱使得蛋白質更容易失去正確的折疊方式而暴露出疏水的氨基酸，從而誘發了蛋白質聚積。

除了加熱，錯誤的蛋白質也會引起蛋白質聚積，最終導致細胞病變死亡，如大名鼎鼎的瘋牛病、鐮刀型貧血病都是如此。僅僅細胞內的蛋白質太濃了也可能會發生相分離。像線蟲受精卵的一端就會富集大量的蛋白質和RNA，他們復合形成的小液滴稱為P-顆粒（P granules），而越靠近另一端，蛋白質和RNA的量越少，P-顆粒也就消失了。利用這個小技巧，線蟲在未來的發育過程中就可以清晰地知道自己的頭尾方向。

不僅僅是“錢”—ATP的新功能

蛋白質溶解在水里，似乎也不是那么一個理所當然的事情。很多細胞里有著大量的蛋白質，非常擁擠，它們是怎么保持穩定地溶解而不聚集成團呢？長期以來，這都是一個難以解釋的問題，不過就在近幾年，科學家們可能找到了一個出人意料的答案：

故事要從一個叫作ATP的小分子說起，它的中文名是三磷酸腺苷。這個小分子是細胞新陳代謝中傳遞能量的“分子通貨”。如果把化學物質的能量比作財富，ATP就是流通的錢。不難想象，細胞中時刻都會有著一定量的ATP正在流動，從而保證每個耗能的化學反應都有“錢”可用。但是在細胞中的ATP含量，其實比實際所需的還要高近100倍之多，這是為什么呢？現在我們知道，原來ATP除了傳遞能量之外，還有別的重要的功能—ATP也是一種像洗潔精一樣的兩性分子，它們能幫助蛋白質更穩定地溶解在水環境中。

動手做個實驗吧

有一個非常有趣也非常簡單的實驗可以驗證ATP的作用，你在廚房就可以在家長的協助下完成：

你需要一點雞蛋清和一些藥房可以買得到的三磷酸腺苷二鈉片（也就是鹽形式的ATP），以及兩口一模一樣的鍋。

一口鍋煮雞蛋清，科學上我們把這個叫作對照組。換一個一模一樣的鍋，使用相同的火力，煮雞蛋清和ATP的混合物，這就是實驗組啦。煮相同的時間，你會觀察到，對照組很快就煮熟了，而實驗組能保持很久的液體狀態。

這說明ATP可以很好地避免凝固的過程從而使蛋白質溶解在水中，使得雞蛋清很難被“煮熟”。

除了相變之外，越來越多在物理和化學中研究過的現象和理論，如今被用于理解更為復雜的生物系統。多個學科之間的合作交叉也逐漸地成為時下一種更有效、更有趣的研究模式。有許多生物中的相變機制還亟待我們發現，也有更多生命中有趣的物理化學現象需要多種學科背景的科學家一起來研究闡釋。