科学网 › 标签 › 化学过程

标签: 化学过程

相关帖子	版块	作者	回复/查看	最后发表

没有相关内容

相关日志

[转载]生命是物理学的必然结果？: quantumchina 2020-7-21 08:18; 转自：原理（ID：principia1687） 2013年，一个关于生命起源的新的假说走进了公众的视野，麻省理工学院的生物物理学助理教授 Jeremy England 提出“ 生命是物理学的必然结果 ”，瞬时引起巨大的讨论。有人认为这一理论太过贫瘠，也有人认为这足够大胆和勇敢，或许会是一个重大突破。之后，England 致力于用计算机模拟实验以验证自己的想法。近日，他将得到的两项结果分别发表在《美国国家科学院院刊》 (PNAS) 和《物理评论快报》 (PRL) 上。 △ MIT生物物理学副教授 Jeremy England。（图片来源：Katherine Talor/Quanta Magazine) England认为，生命的起源是热力学的必然结果。他推导的方程式表明，在特定条件下，原子团会自然地重组自身，以便消耗更多的能量，从而促进能量的持续耗散和“熵” （或宇宙的无序状态）的增加。这种重组效应被 England 称为“ 耗散驱动适应性 ” （Dissipation-driven adaptation），它促进了例如生物等复杂结构的生长。这一理论虽还未被完全证实，但无疑是开拓性的，它试图从物理的角度为我们解答的是一个重要的大问题：生命从何而来？但 England 的理论并非是要推翻或取代达尔文的进化论，相反，他认为或许从物理学的角度出发，可将达尔文的进化论看做是一个更普遍的现象中的特殊情况。 △ 生命从何而来？（图片来源：Love the wind） England曾在一个访问中说：“如果用光照射任意一堆随机聚集的原子足够长时间，最终可以得到一株植物，对于这种结果不要觉得太奇怪。” 他认为生物之所以出现，是因为在特定环境下，比如在能量分布紊乱的行星上，物理能使原子重新排列自己以应对混乱的能量流动。而这种原子结构的排列正好组成了“生命”。这些原子会在外力的帮助下，如太阳的照射，会重新排列成更能有效的吸收和释放能量的结构。更重要的是，这些结构还能自我复制，以便更好地处理这些能量流。按照这个构想，也就是说只要依靠物理学的定律，生命就能在几种最基本的化学物质和太阳的存在下，得以出现并进行复制。热力学第二定律这个理论的核心思想是热力学第二定律。我们都知道，热的东西会逐渐变冷，气体在空气中扩散，打碎的鸡蛋永远也不会“破蛋重圆”；简言之，随着时间流逝，能量会趋向于分散或散开。熵就是衡量这种趋势的量度，用来量化系统中粒子之间的能量的分散程度，以及这些粒子在整个空间中的扩散程度。熵增加是个简单的概率问题：比起聚集能量，耗散能量的方式有更多。因此，随着一个系统中的粒子移动并相互作用，它们倾向于采用使能量分散的构造。最终，系统会达到被称为“热力学平衡”的最大熵状态，这时能量在各处都均匀分布。尽管一个“封闭”的系统的熵必定会随着时间的推移而增加，但在“开放”系统中，系统可以通过增加其周围环境的熵来维持自身的低熵状态，也就是让系统中的原子之间的能量被不均匀的分配。我们现在就处于有一定秩序的低熵状态，在这种状态下，所有的事物无法在原子层面被重新排列过后仍保持一样，例如生命。1944年，著名的物理学家薛定谔在他的著作《生命是什么？》中提出，这种低熵的维持是生命必须做的事情：例如植物能吸收高能量的阳光，用它积累糖分，再向外辐射能量较低的红外光。在植物通过光合作用维持自身的内部结构的过程中，由于耗散了阳光，使得宇宙的总熵增加了。我们可以想象往一池水中滴入三种不同颜色的水滴。最初，它们在水中是三个不同颜色的分开的点，慢慢的，颜色开始扩散、混合，直到最终整池水都变成一种颜色。那就是宇宙，在这种情况下，这些短暂存在的不同颜色水滴就如同是生物的生命。 England 在MIT建立了自己的实验室，致力于将统计物理学的知识应用于生物学。他从热力学第二定律中推导了一个广义的定律，适用于具有以下特征的粒子系统：这个系统受很强的外部能量源驱动，如电磁波，并且它还能向外部环境耗散热量。所有的生物体都属于这种系统，也就是文章开头所提到的耗散驱动适应性。模拟实验为了验证这一定律，他进行了大量计算机模拟实验。他模拟了含有25种基本化学物质、会产生多种相互作用的“物质汤”。物质汤中的能量源会促进甚至“迫使”这些物质间发生某些化学反应，就好像阳光能促使大气中的臭氧生成，或是化学燃料ATP为细胞活动提供能量一样。在 PNAS 发表的那篇论文中，他们从随机的初始化学浓度、反应速率、以及“强迫性外力”这三个参数开始，模拟化学反应的演化，直至达到最终的一个稳定状态，或者说一个“ 定点 ”。其中“强迫性外力”决定哪些反应能从外力中得到加强以及加强的程度。通常来说，系统应该会在所含化学物质的浓度、以及正逆两向的化学反应也达到平衡时，进入一种平衡状态。这也符合热力学第二定律告诉我们的，能量总是不断耗散，宇宙一直在熵增。但在 England 的模拟实验中发现，对于某些初始设定，模拟中的化学反应系统会往截然不同的方向发展：在这些情况下，它们的“定点”远没有达到平衡状态，而是通过从周围环境中尽可能的获取能量，来持续将化学反应循环下去。England 和他的同事认为，这种现象可被视为是系统与其环境之间的“微调”，在这种情况下，系统处于“ 极端热力学强迫下的罕见状态 ”。而生物就是这种在被极端强迫的状态下仍保持稳定状态的存在：当我们需要给细胞内的化学反应供能时，会消耗并降解环境中大量的化学能，同时增加宇宙的熵值。在模拟中，他们并没有将生物学的一些可变量，如细胞的行为、DNA的形成等预编到模拟程序中，而是用这样一个更简单也更抽象的化学系统来模拟这种稳定状态的行为。他们发现这种稳定状态并不需要通过长时间的等待，这意味着在现实世界中这样的“定点”可以很轻易就达到。在发表于 PRL 的论文中，England 和他的合作者模拟了一个相互作用的粒子系统，并发现系统会通过形成和断开粒子间的链接来增加其能量的吸收，以便更好的与驱动频率产生谐振。England 认为，这一发现比在 PNAS 发表的论文里讨论的化学反应系统的发现要更为基础。 △ 一个被限制在粘性流体中的粒子系统，其中青绿色粒子受振荡力的驱动。随着时间的推移（从上到下），在振荡力的作用下触发了更多的链接形成于粒子之间。（图片来源：Jeremy England et al.）关键是，England 和他的同事在这个模拟中加入了一种具有挑战性的环境，使得系统需要有特殊的配置才能把可用的能量来源利用起来，正如构成细菌的原子需要有特殊的排列可以形成可以新代谢能量的细菌一样。 England 认为，这种系统具有可以发生循环反应并持续耗散能量的特殊配置就是代表生命本质的形式-功能关系。讨论两项模拟实验的结果似乎都对 England 的“耗散驱动适应性”的总体观点提供了支持。他和合作者打算下一步计划是扩展他们的化学反应系统，以观察它是否仍旧可以重复之前的发现。还可以让模拟变得不那么抽象，通过根据早期地球的原始化学环境可能存在过的条件来调整化学物质浓度、反应速率和强迫性外力这些参数。那么，那个大问题被回答了吗？或许我们需要记住的是，这仍只是一个新生的理论，它在破解生命起源的奥秘的道路上仍处于推测阶段。许多生物物理学家认为 England 所做出的解释或许能解释一部分生命的故事。但是，England 是否真的找到了生命起源最重要的一步，在一定程度上取决于如何定义生命的本质。而对于这个问题，意见很难达成一致。 England 将生命的本质看作是原子一种能够从环境中获取能量并以热量的形式将获取的能量耗散掉的特殊排列，也就是所谓的具有耗散驱动适应性。他认为生命或许就是这样一种结构组合，他说：“如果我们想象将一个细菌的原子进行随机的重新排列，将它们全部拆开、做标记、再排列组合，十有八九我们会得到一堆垃圾，因为大部分原子的组合都不会成为具有新陈代谢能力的细菌。” 这是最常导致这个理论受到质疑和反驳的原因之一。具有这种性质的不仅有生物体，例如就是这样一个具有耗散驱动适应性的系统。因此有人认为，England 研究中的“类生命结构”看起来过于抽象，不能被真正视为“生物”。生物学家普遍认为，“生命体”的重要标志是具有处理信息的能力。这才真是生物之所以与“大红斑”一类系统不同的重要区别。因此即便这个理论在物理方面的解释已经步入正轨，但生物学家仍需要知道的更多细节，例如它会如何解释“始祖细胞”进化成第一个活细胞，遗传密码是如何产生等一系列问题。 England 完全认同这些质疑，他表示，从目前阶段的发现来看，还不能从生物学角度解释生命起源。不过总的来说，这绝对是一个非常引人注目的假说，它清楚地显示了一种在趋向完全无序过程中出现的有序趋势。如果这被证实是正确的，那么这将成为继达尔文的惊世巨作后对进化论最重大的补充。编译：二宗主参考来源： http://www.iflscience.com/physics/life-inevitable-consequence-physics/page-2/ https://www.quantamagazine.org/a-new-thermodynamics-theory-of-the-origin-of-life-20140122 https://www.quantamagazine.org/first-support-for-a-physics-theory-of-life-20170726/ 来源： https://www.sohu.com/a/162797304_136745; 个人分类: 物理|1834 次阅读|0 个评论

1952年的伦敦烟雾是“硫酸盐”急性杀人？: 热度 1 Talky 2016-12-11 20:22; 近日有新闻说美国德州农工大学张人一研究团队 11 月 29 日在美国科学院院刊（ PNAS ）上发表文章《从伦敦雾到中国霾持续的硫酸盐形成 (PersistentsulfateformationfromLondonFogtoChinesehaze) 》，在网络上热传。开始没有在意，因为伦敦烟雾是急性杀人事件，有关伦敦烟雾的能看到的教科书上，都写的是高浓度烟尘和二氧化硫，或者只说是高浓度烟尘杀人，哪里需要等二氧化硫通过催化反应转化为硫酸滴，再反应成硫酸盐来杀人呢。二氧化硫进入呼吸道和肺部，不也能转化成硫酸吗？但同学之间引起争论，于是下载原文看了一遍。发现这位张人一教授是大气化学和气溶胶化学专家，我的化学基础很差，只有学习的份。文章用了大篇幅介绍在西安和北京分别采集了细颗粒物和污染气体样品进行分析，并在实验室里进行了模拟。分析两地雾霾期间二氧化硫在二氧化氮催化作用下提高了转化为硫酸的效率，又在同时存在氨的条件下迅速转化为硫酸铵气溶胶的过程。对两地雾霾形成的化学过程，特别是硫化学过程进行了详细描述，对认识我国灰霾和雾霾的形成有重要意义。但除了结论外，没有讨论伦敦烟雾中的化学问题。但是，感觉该文联系伦敦烟雾实在是败笔，“画蛇添足”。不明白为什么有 45 位研究者参与的研究的重要文章，出这样容易误解炒作的差错？这篇文章不长，只有 6 页，但涉及的中国大学和研究机构就有 13 个。问问：各位在文章发表前都看过了，同意伦敦烟雾是细颗粒物（硫酸盐）杀人？这里是下载该文的 PDF 文件：张人一.pdf 为了解该研究和伦敦烟雾的关系，搜索一下文章里“ London ”一词出现的次数、在哪里出现，怎样分析的、又说了些什么。发现： 1、搜索结果是：出现“ LondonFog ”（不是“ Smog ”！）共 10 次：标题 1 次，引言后半部 1 次，重要性（ Significance~ 相当于摘要） 2 次，正文第一段落 1 次，结论第一段 3 次，参考文献 2 次。他们研究和伦敦烟雾的关系分析应当出现在正文里。但是，文章如此强调“伦敦雾”（标题、引言、重要性和结论），在正文里只在开场白里有一段。可见他们的研究工作和“伦敦雾”其实没什么关系。不明白为什么要强调说搞清楚了伦敦雾的化学过程？ 2、在正文第一段落里说的是：“ Furthermore,highlevelsoffinePMhavebeenimplicatedinadversehumanhealthissues,asexemplifiedbyhighfatalityduringthe1952LondonFog ”。并没有介绍伦敦烟雾里主要组成是什么，目前公认什么是杀人组分，有什么化学过程尚未弄清。而是直接引入了细颗粒物（ finePM ），导致 1952 年伦敦雾的高死亡率（ highfatality ），但丝毫不提烟尘（ Smoke ）了，和绝大部分介绍伦敦烟雾的书刊杂志都不同。 3、其他正文部分再没有介绍伦敦雾的文字了，直接跳到结论第一段。说：“关于 1952 年伦敦杀人雾（ 1952London'Killer'Fog ），现在仍然不清楚的是 SO2 怎样转化为硫酸盐的化学机制。我们的结果表明伦敦雾的形成和云中 SO2 因 NO2 的氧化类似，因为两种气体都会因为燃煤的副产物出现高浓度。 ...... 解释了伦敦雾的强酸性（文献 45 ）”。这里文章才介绍没有搞清楚的是 SO2 是怎样转化为硫酸盐的（才呼应正文开始段说是细颗粒物高浓度导致高死亡率）。但是这里作者却错了：烧煤排放SO2是因为S是煤里的杂质，但NO2却主要是因为如果是高温燃烧（1200度以上），作为氧化剂的空气里NO2和O2会快速反应生成NOx。而伦敦烟雾时，民用火炉占了相当大的比例，不可能产生大量NO2的；而且各种教科书上都没有看到过伦敦烟雾时高浓度NO2的文字记录。附结论第一段的原文：“ Atmosphericsulfurchemistryhasremainedanopenproblem(1,13,14).Theformationofthe1952London“Killer”FogisstillmysteriousintermsofthedetailedchemicalmechanismforSO2conversiontosulfate(1,45).OurresultsindicatethattheformationofLondonFogwassimilartoincloudSO2oxidationbyNO2(Fig.4A),becausebothspecieswerepresentinhighlyelevatedlevelsasthecoproductsofcoalburning.ThesulfateformationwasgreatlyfacilitatedbyhighRH,lowtemperature,andthepresenceoflargefogdroplets(45),yieldingelevatedsulfuricacidlevelsthatpersistedthroughouttheevent.Theparticleaciditywasregulatedbytemperature,andwaterevaporationfromfogdropletsatwarmertemperatureresultedinconcentratedsulfateacidparticles(33),explainingthehighlyacidicnatureoftheLondonFog(45). ” 我曾在 2013 年 5 月 4 日上传博文“ 比较两幅 1952 年伦敦烟雾事件曲线图 ”里面有伦敦烟雾 5 天时高浓度二氧化硫和烟尘（相当于 PM10 ，但碳黑厚重）和死亡人数的曲线图，还有一张二氧化硫对人体健康影响的曲线图，样子如下。都是外文原版书上拷贝的，其中一本还由清华大学出版社获得允许影印出版过。没有看见那时有 NO2 浓度曲线。 12月15日补：我在刘进平老师博文 “ 1952 年伦敦 ‘ 杀人大雾 ’ 之谜已解决 ” 下写了评论，补充了本博文的内容：张人一等人文章的结论里还有一个问题。文章结论里说，硫酸盐的形成受到高相对湿度、低温和大雾滴的存在被大大增强。但从大气物理角度看，是大量的细小硫酸盐颗粒的形成，促进了雾滴的生成。伦敦雾是大雾滴，中国雾霾是细小雾滴！请参阅我另一篇博文：2014/12/24“介绍一篇北大关于“雾霾”形成机理的有创意但需商榷的文章” http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-853464.html 研究者发现中国雾霾发生前，微细颗粒物（怀疑是硫酸盐）爆发性增长。细小气溶胶是雾滴“核化”的重要条件。 2017年2月11日补：今天读到麻庭光博主的博文“ 他们为什么要跳楼？ ”，说 “洛阳东都商厦大火，在消防队员到场 3 个小时之后，现场有 316 人深陷烟气的围攻，结果采取自救措施的 7 人，当天出院，活蹦乱跳的；没有采取自救措施的 309 人，全部死亡，烟气中毒率 100% （正常火场的伤亡率烟气中毒占 80% ，这一次火焰距离受害者很远很远，所以只有烟气的伤害）。” 请注意，浓烟杀人并不等待转化成硫酸盐！伦敦烟雾时烟气浓度没有火烧时高，但是持续4~5天，中招的是老弱病人！; 个人分类: 灰霾|7919 次阅读|2 个评论

更多...

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册

关闭 安全验证

标签: 化学过程

相关帖子

相关日志

关闭安全验证