液晶態，負熵與癌

        多數純化後的生物大分子在一定濃度、溫度、離子強度、酸鹼度等條件下向體系能量最低的方向轉化，在空間作三維周期性的規則排列形成晶體。正是蛋白質的α螺旋，DNA雙螺旋等自然界精美的藝術品般有趣的晶體結構吸引和鼓舞著人們開啟了分子生物學的大門，克裡克和沃森當年就是受諾貝爾物理學獎獲得者薛丁格在《生命是什麼？》一書中關於遺傳物質的「非周期性晶體（nonperiodic crystalline）」設想啟發，從而發現了DNA的雙螺旋結構。

1944年薛丁格發表《生命是什麼》一書。

Watson J D 和 Crick F H C 與DNA雙螺旋結構

        自然條件下，生命體中的蛋白質、核酸、多糖、脂類等能夠通過自組裝（self-assembly）而呈現液晶態（liquid crystalline state）。液晶態是一種即具有液體的流動性和連續性，而其分子又保持著固態晶體特有的規則排列方式的特殊物質態，生物大分子的液晶行為與細胞和組織功能的表達有關。

生物大分子傾向於有序排列

人工合成牛蛋白質晶體

        生命系統中液晶態結構普遍存在，如細胞及細胞核、線粒體、高爾基體、液體泡和內質網都被一層液晶態的生物膜所包裹。由於生物液晶態特殊的微觀結構，沿晶格的不同方向原子排列、化學鍵、離子鍵、疏水鍵、分子間作用力等的周期性和疏密程度不盡相同，導致生物液晶態結構在不同方向的物理、化學和生物特性的各向異性(anisotropy）。

細胞膜的流動鑲嵌模型

        由此可以推測細胞器、細胞質、細胞外基質均是由不同生物大分子通過自組裝形成液晶結構組成，生命的基本單位細胞就是由不同的液晶結構組成的複雜體系（complex system）——「非周期性液晶結構(nonperiodic liquid crystalline construction)」。進一步，我們還可以把生物組織（tissue）理解為由類似的細胞通過自組織（self-organizing）形成的「非周期性液晶」結構。依次類推，生命個體就可以解釋為由生物大分子層面、細胞器層面、細胞層面、組織層面、器官層面、系統層面的「非周期性液晶結構」組成的超級複雜體系。

大腦海馬區神經細胞排列

        薛丁格設想遺傳物質「非周期性晶體」中可以蘊含著巨量的信息在DNA雙螺旋結構中得到了充分證實，另一方面，人們發現液晶態對外界的力、熱、聲、電、光、磁等物理環境等性能的變化十分敏感。那麼，生命體中各層次「非周期性液晶結構」組成的複雜體系不但蘊含巨量的信息，還可以完成對物質流、信息流和能量流的有序組織，由此可以解釋生命所呈現的信號傳遞、應激反應、新陳代謝、組織發生等許多奇妙的現象。

耗散結構為遠離平衡態的開放系統，通過與外界交換物質和能量，可能在一定的條件下形成一種新的穩定的有序結構。

        生物體是一種遠離平衡態的耗散結構（dissipative structure），物理學採用「熵（entropy）」來描述系統的無序化或有序化程度，熵值減少就意味著系統的從外界輸入「負熵（negentropy）」可抵消系統的熵值增長，從而維持和發展系統的有序化。生物體的「非周期性液晶結構」是一個低熵狀態，這種狀態的形成和維持需要從不斷環境攝取負熵。

 熵表示體系的混亂程度

        生命活動使體內微環境處在動態過程中，機體細胞「非周期性液晶結構」對微環境中物理、化學和生物因素的變化反應十分敏感，當環境因素變化超過一定的閾值（threshold）就會引起液晶結構相變（phase transition），從而喪失對微環境信號的響應，破壞「非周期性液晶」有序結構造成熵增加。研究發現癌細胞生物膜的液晶相變可以使膜的各向異性有序結構轉變為各向同性（isotropy）無序化排列，細胞膜的平滑特性也轉變為凹凸不平的毛茸狀態，使細胞間的相互作用減弱，從而破壞了細胞間接觸抑制的調節機能。

a cancer cell

        薛丁格認為「一個生命體要擺脫死亡，也就是說要活著，其唯一辦法是不斷地從環境中吸取負熵」。癌變是一個自發過程（spontaneous process），當癌細胞擺脫組織的控制成為自主生存的個體就需要建立自己的「非周期性液晶結構」，轉變為寄生生存方式，從宿主內環境中汲取負熵，造成系統整體的熵增加。

     液晶態並非生物體系的局部結構，由此可以推斷：

    1.  液晶態是健康生物體的基本結構，存在於一切組織中，如腦、血液、肌肉、腱、卵巢、腎上腺皮質和神經組織等均為液晶結構；

    2.  液晶態決定一切生命現象，如新陳代謝、消化吸收、知覺、信息傳遞等；

    3.  液晶態的相變決定了一切疾病的發生，如動脈粥硬化、鐮刀細胞貧血症、膽結石、腎結石發生了液晶物質聚集沉澱、固體結晶析出等，癌細胞類脂相及凝集素蛋白質的液晶相變引起接觸抑制消失、細胞融合等。

    4. 生命與非生命的根本區別在於「非周期性液晶結構」，決定了生命複雜體系的高度有序性。

     生命體的「有序化=非周期性液晶結構=巨量信息=負熵」，熵增意味「非周期性液晶結構」的破壞，意味著病變、衰老和死亡。

相關術語：

晶體（crystal）內部質點在三維空間成周期性重複排列的固體，具有長程有序。

非晶體（amorphous body）內部質點在三維空間不成周期性重複排列的固體，具有近程有序，但不具有長程有序。

液晶（liquid crystal）是一種在一定溫度範圍內呈現既不同於固態、液態，又不同於氣態的特殊物質態，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動性。包括熱致液晶和溶致液晶，分為向列相液晶，近晶相液晶，膽甾相液晶三種類型。

液晶相（liquid crystalline phase）具有高度不對稱外形的有機化合物在一定溫度和濃度時表現出的介於液態和晶態間的有序流體狀態，又稱介晶相(mesomorphic phase)。在液晶相中分子取向易受外界條件的影響而引起電性、顏色、透明度等變化。

熱致液晶（thermotropic liquid crystal）由單一化合物或由少數化合物的均勻混合物形成的液晶。在高溫時是各向同性的液體，低溫時是各向異性的固體。

溶致液晶（lyotropic liquid crystal）是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶，它廣泛存在於自然界特別是生物體組織內。在溶液中溶質分子濃度處於一定範圍內時出現液晶相，它的溶劑主要是水或其它極性分子液劑。這種液晶中引起分子排列長程有序的主要原因是溶質與溶劑分子之間的相互作用，而溶質分子之間的相互作用是次要的。

向列型（nematic）：分子呈棒狀，分子的質心有長程的有序性，分子排列方式如同一把筷子。上下方向排列整齊，但沿前後左右方向排列可以變動並不規則。具有不易變形的棒狀分子這種形態的化合物都能形成「向列型液晶」。它的分子成棒狀，局部地區的分子趨向於沿同一方向排列。分子短程相互作用比較弱，其排列和運動比較自由，分子這種排列狀態使其粘度小、流動性強。

近晶相（smectic）液晶內部包含許多棒狀或條狀的分子，它們有序排列成層，在每層中，分子的長軸相互之間是平行分布的。該長軸可以垂直於層面，也可以與層面傾斜成角。在同一層中，分子可以自由平移，體現了液體的流動性，但由於呈黏稠狀，不允許在相鄰層間移動。

膽甾相（cholesteric）：它的分子呈扁平層狀排列，分子長軸平行層平面，層內各分子長軸互相平行（對應方向）相鄰兩層內的分子長軸方向有微小扭轉角，各層分子指向矢，沿著層的法線方向連續均勻旋轉，使液晶整體結構形成螺旋結構，使得該種晶體具有明顯的旋光性、圓偏振光二向色性以及選擇性光散射等特殊光學性質。

液晶相變（phase transition）：當外界條件（溫度、壓力、溶液性質等）發生改變時液晶物質會轉變成無序的液體、固體沉澱、析出晶體，或轉變為新的液晶狀態。

生物液晶（Biological Liquid Crystals）：在健康的生物體系組織結構中液晶相廣泛存在。人體組織如腦、血液、肌肉、腱、卵巢、腎上腺皮質和神經等就是由溶致液晶結構構成的，它們都呈現出光雙折射的性質，這是液晶的特徵。生物液晶與新陳代謝、消化吸收、知覺、信息傳遞等生命現象密切相關，細胞膜就是很好的例子。

肌肉纖維（muscle fibers）早就被認為是類似液晶的物質，它是由兩種主要的肌原纖維-肌球蛋白和肌動蛋白所組成的絲。平滑肌與橫紋肌之間在結構上的不同，類似於向列相與近晶相液晶之間的不同，在光學上它們都具有雙折射現象。 

膠原纖維（collagenous fiber）是構成眼睛角膜的主要組分，呈平行排列，形成厚度均勻的層狀結構，每一層的斜斷面排列成弧形或拋物線的圓形，相鄰層之間的扭轉結構顯示出膽甾相-向列相液晶的共同特點。

感光體（photoreceptor）層狀結構，是類脂和蛋白質的雙分子膜所構成，因而與細胞膜一樣，具有液晶態物質的特性，在臨界溫度磷脂雙分子層雙親結構可以進行相轉變，而對光、電、壓力等外來刺激和化學環境的變化也十分敏感。

生物病變（pathological changes）：當生物某些代謝平衡受到幹擾，變引起生物液晶遭到破壞引發了液晶相變，從而破壞細胞的功能，生物體即處於病態。如動脈粥硬化、鐮刀細胞貧血症、膽結石、腎結石發生了液晶物質聚集沉澱、固體結晶析出等，癌細胞類脂相及凝集素蛋白質的液晶相變引起接觸抑制消失、細胞融合等。

. & Sagan, Dorion. (1995). What Is Life? Berkeley: University of California Press.

Watson J D, Crick F H C. Molecular structure of nucleic acids[J]. Resonance, 2004, 9(11):96-98.

《癌圖騰》老狼撰文，本文2011年9月首發於「幹細胞之家」論壇