从细胞到微观世界，中间隔着一个世界的距离，这个世界就是介观世界。随着纳米科学的发展，上世纪八十年代，Van Kampen创造了介观（mesoscopic）一词，提出了介观世界的概念。所谓介观世界，就是介于宏观与微观之间的世界，具体是指1纳米到1微米的世界。所以微观世界是1nm以下，介观世界是1nm~1μm，宏观世界是1μm以上。

为什么要提出介观的概念？介观体系是介于宏观体系与微观体系之间的一种体系，实际上介观体系在尺寸上已经是宏观的，具有宏观体系的特点; 但是由于其中电子运动的相干性， 会出现一系列新的与量子力学相位相联系的干涉现象，这又与微观体系相似。对于微观粒子，原则上可以对薛定谔方程进行严格地或近似地求解。对于宏观物质的研究，则应用统计力学的方法，考虑大量粒子的平均性质。处于介观体系的物质，一方面含有大量粒子，因而无法对薛定谔方程求解；另一方面，其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度。这种涨落称之为介观涨落，是介观物质的一个重要特征。简单地说，就是介观粒子会具有宏观粒子的一些特性，又会具有微观粒子的一些特性，也会具有完全不同于两者的特性，而且会产生出新的现象。在宏观体系和微观体系中，人类已经具有相对成熟的理论，但这些理论大多数都不适用于介观体系，研究介观世界需要属于介观体系的理论。介观体系的物质具有新的特性，会产生新的现象，需要新的理论知识进行研究，因此提出了介观的概念。

介观粒子既不是常见的宏观大块，也不是微观的基本粒子，很容易被人忽视，大多数人都认不清它们的存在，好像被人类遗忘了一样，所以介观世界又被称为“被遗忘的世界”。在细胞内也有一个介观世界被人类深深地遗忘了。细胞内哪些物质属于介观体系？首先，真核细胞的大小一般在20μm左右，真核细胞属于宏观体系。细胞内含有水分子、无机盐离子、有机分子和生物小分子氨基酸、葡萄糖、磷脂分子、ATP、嘌呤嘧啶等，这些都是小分子，属于微观体系。然后氨基酸合成蛋白质，葡萄糖合成淀粉、磷脂分子构成膜泡、嘌呤嘧啶和单糖合成核酸分子。蛋白质分子的直径一般在20nm左右；膜泡的直径一般在10-20nm之间；淀粉粒大小不一，一般都能达到纳米级别以上；DNA链链宽2.2~2.6nm。生命体中最重要的生物大分子都属于介观体系。除此之外，由生物大分子构成的细胞结构，如微丝微管、核糖体、染色体、高尔基体、内质网、病毒等基本上都属于介观体系。

是否很意外？细胞的主体部分，也是与我们生活最为密切的生物大分子属于介观体系而不是大家认为的微观体系。一直以来，生物学家都没有认识到生物大分子属于介观体系，这是学科发展与交流出现了问题，这也凸显了介观体系的“被遗忘性”。那么，介观体系的观念进入生物学是否有必要？答案是肯定的。生物大分子一直都是生物学上的研究热点，研究了很长时间，但是一直都在围着结构转圈，没有什么突破性进展。生物学在小分子层面，即微观层面，许多问题都得到了很好的解答，例如呼吸作用、光合作用、物质代谢、能量代谢等。但是到了大分子层面，即使研究了很久，许多问题依然没有答案，例如细胞结构的自组装与解体、生物病毒的形成、酶的作用原理，细胞分化、细胞衰老等等。为什么？因为在小分子层面有成熟的化学和物理学理论支撑研究，但到了大分子层面，你会发现好像没有了合适的理论依据。例如，研究一个蛋白质分子，我们应该用传统的化学原理？但是它既不是离子，也不是小分子，不带有化学价。用量子力学？用牛顿力学？好像都不合适。宏观和微观体系的理论并不适用于研究蛋白质分子，因为它属于介观体系，需要用介观体系的理论进行研究。所以将介观的观念引进生物学中，用介观体系的理论去解答生物学的问题是非常必要的。

生物大分子属于介观粒子，生物大分子具有哪些介观特性？介观粒子具有四大基本特性：表面和界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观两者隧道效应。生物大分子也具有这些特性，但是对于生物大分子来说，与其生物学功能密切相关的是生物大分子在溶液中的动力学、电学、热力学等性质。下面以蛋白质分子为例介绍生物大分子的动力学、电学、热力学性质。

1、 蛋白质分子的动力学性质

蛋白质分子不是微观粒子，不具有热运动，而是具有布朗运动。所以研究蛋白质分子的动力学性质需要在溶液中研究。蛋白质分子的动能可以通过布朗运动公式来计算。当蛋白质分子因布朗运动而互相靠近时，会产生长程引力势能和长程静电斥力势能，在它们的作用下，蛋白质分子会产生结合与分离的现象，这个可以通过胶体化学中的DLVO理论和DLVO势能曲线来解释。生物大分子运动与相互作用力不能通过经典化学理论、经典力学理论和量子力学来讨论，需要通过DLVO理论来说明。

2、 蛋白质分子的电学性质

蛋白质分子在溶液中会解离，表面会带有一定的电荷，然后会从溶液中吸引异号离子，从而使蛋白质分子表面与溶液之间形成双电层结构。由于溶液中的异号离子具有热运动，所以不会整齐地吸附在蛋白质分子表面，而是呈扩散态分布，这时蛋白质分子表面会形成扩散双电层结构。蛋白质分子与扩散双电层结构构成了蛋白质胶团。

胶团结构示意图

蛋白质分子在溶液中、组织液中、细胞中，都不是以单个粒子的形式存在，而是以一个带电胶团的形式存在。正是这样的一种结构，蛋白质分子才会具有电动现象，才会分散在溶液中，才会具有各种生物学功能。扩散双电层与蛋白质分子的许多功能有着非常重要的联系，它在生命体中起著非常神奇的作用。

3、 蛋白质分子的热力学性质

根据溶液中分散颗粒的大小，将溶液分为真溶液（粒子直径小于1nm的分子或离子），胶体溶液（粒子半径1~100nm），混悬液（粒子直径大于100nm）。真溶液是热力学稳定体系，胶体溶液和混悬液是热力学不稳定体系。蛋白质溶液属于胶体溶液，属于热力学不稳定体系，所以溶液中的蛋白质分子天生具有聚结的倾向。

生物大分子的许多神奇特性是介观尺度赋予的，倘若没有介观体系的理论，我们很难认识到它们的存在。

除了生物大分子，各种细胞结构，例如核糖体、细胞核、染色体等等都属于介观体系，生物病毒也属于介观体系。生物病毒是如何产生的？这仍然是生物学上的一个谜。病毒是由介观层面的生物大分子构成，病毒颗粒的直径一般在数十纳米到数百纳米之间，病毒也属于介观粒子。它们的构成成分，形成过程，再到它们自身的结构特性，都属于介观体系。认识病毒，我们需要更多介观体系的理论知识。

细胞内存在着一个天然的的介观世界，这个介观世界甚至是细胞的主体部分，但人类却一直没有认识到它的存在，它被人类深深地遗忘了。

参考文献

《介观物理学》、《细胞生物学》、《生物化学》、《物理化学》、《胶体与表面化学》