呈现液晶性质的一些生物体系—中国光学光电子行业网

许多生物体系呈现液晶性质，人体的很多组织如肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经等含有大量介晶态化合物，它们都呈现出光双折射的性质，这是液晶的特征。这些化合物通常为胆固醇或类脂的衍生物。许多病理组织，特别是在大的类脂沉积方面，已经证实介晶状态的存在。液晶相至少牵涉到两类退化性疾病，即动脉粥硬化和镰刀细胞贫血症。介晶相化合物作为胆甾相衍生物大量沉积，已在肾、肝、脑、骨髓和主动脉壁上发现。内分泌组织如肾上腺皮质和黄体的分泌物具有向列相小液滴形成的液晶，各种多肽在溶液中可以形成向列相和胆甾相液晶。核酸在浓溶液中是介晶相。脱氧核糖核酸（DNA）具有胆甾相的结构。

在组织结构和生物化学功能方面，液晶也起了作用。例如细胞膜就是很好的例子。细胞膜的主要组分是磷脂，蛋白质和胆甾醇，围绕在膜周围的水也可以作为膜的一个主要组分。由于类脂的层状溶致液晶结构特点，使细胞膜的分子排列具有层状液晶相的二维结构。根据Singer等人提出的类脂-球蛋白镶嵌模型，膜的基本结构是类脂双分子层。但这种双层不是连续的，球状蛋白和类脂双层在整个膜内是交替镶嵌排列的。类脂的疏水部分和蛋白的非极性氨基酸残基的大部分隐蔽在膜内，不与水接触，而类脂的亲水基和蛋白质的离子残基则直接与膜外部液晶体环境相接触。在膜的结构中，除了吸附在双层表面上的蛋白质分子外，一些蛋白质分子可以伸入双层，并且由于分子的转动和侧向扩散的运动，蛋白质分子可以移动，通过双层。

细胞膜的这种层状结构不是刚性的实体，但可以是致密的堆积，例如围绕轴索的髓磷脂，视觉细胞中的杆状体和圆锥体；也可以是间隔较宽的不太规则的堆积，例如载粒内质网，叶绿素等。致密堆积的层状体系表现出双折射特征，但这种双折射现象在间隔较宽和有序性较差的体系中不明显。细胞膜不是静止的而是动态结构，膜中的分子具有可移动的性质，虽然膜的组分不能迅速地从双层的一边交换到另一边，但可以进行其他的运动，例如类脂可围绕C-C键转动，也可以在膜的平面内平移和横向扩散。流动性与类脂的饱和程度有关，膜内所含的磷脂愈不饱和，膜的流动性愈大。细胞膜组分对流动性的控制关系到分子和离子通过膜的扩散特性。磷脂在膜中处于凝胶态还是液晶态，对膜的功能有显著的影响，因为当磷脂处于液晶态时，小分子可以相当容易地透过膜，即膜具有较好的渗透性。

肌肉纤维早就被认为是类似液晶的物质，它是由两种主要的肌原纤维-肌球蛋白和肌动蛋白所组成的丝，肌球蛋白构成的是粗丝，肌动蛋白构成的是细丝。这些丝状蛋白按细胞长轴平行交错排列，并形成粗丝和细丝分开的体系。平滑肌与横纹肌之间在结构上的不同，类似于向列相与近晶相液晶之间的不同。而横纹肌（节肢动物，脊椎动物）和斜纹肌（环节动物、软体动物）的区别则类似于近晶A型与近晶C型液晶。在光学上它们都具有双折射现象。

神经是圆简状的纤维，神经纤维包在轴索周围的髓鞘中，具有强烈的双折射现象并且是高度有序的结构，它是由辐射状定向的类脂双分子层和蛋白的同心层组成。同样，胶原纤维是构成眼睛角膜的主要组分。胶原纤维平行排列，形成厚度均匀的层状结构，每一层的斜断面排列成弧形或抛物线的圆形，相邻层之间的扭转结构显示出胆甾相-向列相液晶的共同特点。胶原在角膜内的这种排列，形成了衍射光栅单元，使角膜具有光散射和透光性。不仅如此，在视觉系统中，已证明光感觉体（杆状体和圆锥体）也是层状结构，它是类脂和蛋白质的双分子膜所构成，因而与细胞膜一样，具有液晶态物质的特性，在临界温度可以进行相转变，而对光、电、压力等外来刺激和化学环境的变化也十分敏感。除上述生物组织外，由于细胞膜的液晶特性，生物体中的液晶态现象很为普遍。

在健康的生物体系中，分子的液晶相广泛存在于许多组织结构中，当液晶遭到破坏而发生液晶的聚集沉淀时，生物体即处于病态，这常常是由于特殊分解代谢酶的缺少，使某些类脂的代谢平衡受干扰而导致类脂的聚集，从而破坏了细胞的功能所致。

类脂中的磷脂和胆甾醇及其酯是天然存在的。胆甾醇由于双亲性质，在磷脂双层内有很高的溶解度。但是当胆甾醇的浓度超过它在类脂双层或胶团中的溶解度极限时，便以胆甾醇-水合结晶沉积。这种沉淀发生在人类的某些疾病中，最值得注意的是动脉粥硬化和胆石症。此外，由于分子液晶序的破坏，还引起其他的疾病，如癌等。

动脉粥硬化是一种造成死亡的常见病。这种疾病是随着过剩的胆甾醇在动脉内膜中积累开始的。当内膜被胆甾醇饱和时，它的特性开始改变，并积累胆甾醇酯这种积累到一定量时，造成脂肪条纹损伤。早期的脂肪条纹损伤被当作纤维状类脂。它至少出现两种构相：被胆甾醇或胆甾醇酯饱和的类脂层状相和被胆甾醇饱和的油状相。对粥样硬化斑点的整个组织剖析的结果表明，除上述两相外，还存在第三相，即胆甾醇-水合晶体。如果发现存在胆甾醇晶体，说明发生了严重的动脉粥样硬化。

癌症主要是正常组织的功能发生变异引起的。造成细胞变异的原因很复杂，究竟是由于类脂相液晶性质的改变，还是由于含有凝集素蛋白质分子彼此引力增加所造成的，目前仍不清楚。但是表面液晶相的破坏显然对解释恶性细胞的表面性质是重要的。
我们通常把液晶的发现归功于奥地利植物学家瑞尼泽尔（Friedrich Reinitzer）。1888 年，瑞尼泽尔在观察与胆固醇有关的有机物的熔融行为时，提到此物质具有两个熔点。在145.5℃它溶解成一种混浊的液体，而在178.5℃时这种混浊液体便成了透明的液体。在冷却过程中，一种蓝色短暂的出现在透明的液体变混浊时，而一种蓝紫色则出现在混浊的液体晶化之前的瞬间。
瑞尼泽尔百思不得其解，于是给德国物理学家，相变方面的专家莱曼（Otto Lehmann）送去一些样品，莱曼用他的热台偏光显微镜观察到其流动性类似于液体，而光学性质又类似于固体，这些特征的结合使莱曼最终把这类物质称为液晶。第二次世界大战后对液晶的兴趣几乎全然消失，但在1960 前不久情况开始有了变化，这时由少数人对液晶进行了全面的再次审视，希望能进一步了解它们的分子结构、光学性质以及技术应用的可能性。人们很快知道了液晶物质具有检测非常小的温度变化、机械应力、电磁辐射以及化学环境的能力，这样通向许多可能的应用的大门打开了。1968 年美国无线电公司的两名科学家演示了施加电压时，液晶薄层可以从混浊态切换到透明态，这是第一个
液晶显示器（LCD），随后液晶又被用作探测某些物质的溶剂或介质，这一阵的活动产生的液晶显示器，广泛的应用于手表、计算器、时钟、个人计算机、袖珍电视、汽车仪表盘以及能够从透明变成不透明的窗户中。
依据液晶的形成方式，可将液晶分为热致液晶和溶致液晶。把某种物质加热、冷却的得到的液晶叫做热致液晶；把某种物质中加入溶剂使其溶解得到的液晶叫做溶致液晶。热致液晶的组成只有一种物质，大部分是有机物，在高温时是各向同性的液体，低温时是各向异性的固体。溶致液晶至少要有两种物质组成，其中之一是溶剂。它广泛存在于自然界特别是生物体组织内，所以在生物化学和生物物理学仿生学等领域十分引人注目。可以说多数生物体组织例如脑、神经、肌肉、血液等于生命现象关系密切的主要组织就是由溶致液晶结构构成的。生物体中的知觉作用和信息传递、新陈代谢等生命现象与液晶结构可能也关系密切。

根据分子排列的有序性，液晶相分为三种：向列相（有序性最差），仅有沿分子长轴的取向有序；近晶相，除沿分子长轴的取向有序外，还有一个沿某一方向的平移有序；胆甾相，有序性最高。
近晶型液晶结构：在近晶型液晶中棒状分子形成层状结构，每个分子都垂直于层面，或于层面成一定角度排列，并且不论是哪一种排列状态，分子之间都是互相平行的排列的，这种排列的分子层之间的作用力比较弱，相互之间容易滑动，因而近晶型液晶呈现二维流体的性质。此类液晶与通常液体相比具有高粘度的特性。
向列型液晶结构：分子是长棒状，棒状分子保持与分子轴方向相平行的排列状态，但没有近晶型液晶那种层状结构。向列型液晶黏度小，富于流动性。胆甾型液晶结构：基于胆甾醇结构；分子的特点是长形、平形、棒形，带有柔软的尾端，分子沿长轴排列，成层状；分子柔软的尾端使层与层之间产生扭曲，这种扭曲使液晶带有颜色。

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