从化学角度说一说病毒为什么怕热不怕冷?

Mar. 20, 2020

从化学角度说一说病毒为什么怕热不怕冷?

低温冻死病毒、蒸桑拿热死病毒、气温回暖病毒渐渐消失......种种关于病毒和温度的说法大相径庭,却都被广泛传播。


其实,所有的病毒都是喜寒怕热的。但是,病毒为什么喜寒怕热,却很少有人说到。本文就从化学的角度来解释一下,而这要从病毒的结构说起。


病毒的结构是什么?病毒的中间是一个遗传物质即一个核酸分子——DNA或RNA,外面是一些蛋白质分子。病毒只有找到了宿主,在宿主细胞内才可以复制自己;离开了宿主,病毒根本不能进行自我复制,因为病毒没有自己的代谢机构,没有酶系统。或者说,离开了宿主的病毒不是完整的生命形态,而只是一些化学意义上的分子。


说到这里,在化学家看来就是一个非常简单的问题了:温度升高不利于分子的稳定性。


众所周知,分子是由原子构成的。原子之所以能够构成分子,是因为原子之间有相互作用。有些相互作用比较强,能够在原子之间形成共价键。比如,氢分子是由两个氢原子组成的体系,两个氢原子核(质子带正电)相互排斥,两个电子(带负电)也相互排斥,但质子与电子却相互吸引。根据量子力学,可以计算得到这个体系的能量与两个原子核之间距离(核间距)有下图所示的关系。



我们把两个原子核相距很远时(即独立的两个原子)体系的相对能量设为能量的零点,从图中可见,当两个原子核靠近时,体系能量降低;但当两个原子核靠得很近时,体系的能量又迅速增高。在图中所示的“平衡核间距”处,体系的能量最低。

核间距大于或小于平衡核间距都将使体系的能量升高,从而处于不稳定状态。这就像在洼处的小球,只有在洼底才能够平衡,离开洼底就不会平衡,会自动滚回底部。


氢分子的平衡核间距约为0.074纳米,此时氢分子的能量最低,分子体系最稳定。图中虚线的长度表示氢分子与两个独立的氢原子的能量差,就是两个氢原子形成共价键的键能。这也就是氢分子的稳定化能。正是因为氢分子比两个单独的氢原子能量低,氢分子才能够稳定存在。


但是,原子本身有动能,它要自由行动,要离开这个平衡核间距。稳定化能的存在,就会把离开平衡核间距的氢原子拉回到平衡核间距。所以,通常情况下,氢原子就在平衡核间距附近做振动。就像落到坑中的小球,在坑底做振动一样。如果坑比较浅,而小球的动能比较大,小球就有可能跑到坑外去。同样,如果分子的稳定化能比较小,而原子的动能比较大,原子就可能挣脱稳定化能的束缚,离开分子,导致分子被解离了。


显然,分子的稳定化能越大,这个分子越稳定。而原子的动能越大,就越能破坏分子的稳定。这是矛盾的两个方面。


原子的动能大是什么意思?
从宏观上看,就是由这些原子组成的体系的温度高。温度所表示的就是组成体系的原子的平均动能。上面说过,原子的动能越大,就越能破坏分子的稳定,也就是说,体系的温度越高,分子的稳定性越差。在较高的温度下,分子容易解离。


问1


既然温度越高分子的稳定性越差,那我们怎么没有感觉到因为温度升高,氧气、水、石头等常见的物质分解掉或者变质了呢?

答1


这是因为组成这些物质的分子都是非常稳定的分子,即组成这些分子的原子之间形成的共价键非常牢固。

就拿上面所说的氢分子来说,它的键能(也就是把键拉断所需要的能量)是217千焦/摩尔。上图中的“坑”简直是一口非常深的“井”,需要非常大的动能才能够跳出这口“井”。

也就是说,用加热升高温度的办法解离氢分子是非常困难的。在2000K的高温下,只有大约1‰的氢分子会解离,3000K的高温下也只有不到10%发生解离。我们身边常见的水、氧气、石头等都是经由类似的共价键结合的,所以都是很稳定的分子。

可是,像蛋白质这样的分子就不同了。蛋白质分子是由千百个氨基酸分子组成的,每一个氨基酸分子有十几个到几十个原子,这数以千计的原子也都是以共价键结合起来的。氨基酸分子排列次序不同,蛋白质分子也不同,这是蛋白质分子的一级结构。这一长串原子并不是排成一条长长的直线。由于各个原子吸引电子的能力有大有小,所以在这些原子外围所带有的正负电荷也不同。这些正负电荷之间存在着静电相互作用,这些静电相互作用比共价键的作用要弱许多,其中有些较大的相互作用被称为“氢键”。

在这些静电相互作用,特别是氢键的作用下,组成蛋白质的原子排列而成的“线”便卷曲、折叠起来,形成了蛋白质的二级结构。而二级结构之间还有更弱的静电相互作用,组成了蛋白质的三级甚至四级结构。蛋白质就具有这些非常精细、非常巧妙的高级结构。由于形成这些高级结构的作用力是很弱的静电相互作用,它们的稳定化能,也就是上图的“坑”非常浅。温度略高,这些高级结构就被破坏了,蛋白质也就“变质”了。蛋白质变质了,病毒也就失活了。所以,病毒都是喜寒怕热的。


问2


既然蛋白质这样不稳定,那我们人还有其他生物为什么能够稳定存在?

答2


这是因为生物体中的蛋白质都存在于活的细胞中,它们受到细胞环境的保护,增加了它们的稳定性。更重要的是,它们是处在新陈代谢的过程中。

也就是说,蛋白质在不断地分解,同时也在不断地生成,保持总体上的平衡状态。而包容这些蛋白质的细胞也在不断地新陈代谢。一旦生物死亡,它们体内的蛋白质就会迅速变质。

沿着这个思路,我们也能够解释为什么细菌并不像病毒那样喜寒怕热,反而是喜欢比较温暖的环境。原因在于细菌是活的细胞。温度低了,虽然蛋白质较为稳定,但是细胞的生长、繁殖会变得很慢,甚至会休眠。在温暖的环境下,虽然蛋白质稳定性差了,容易分解,但是它的生成也快,细胞的生长、繁殖更是大大加快了,细菌的数量仍然会急剧增加。

侵入我们生物体内的病毒,是依赖于生物细胞而生存、繁殖的。虽然温度的升高使它们不稳定,但是,由于它们能够在生物细胞内迅速复制自己,致使这些病毒在体内迅速地大量泛滥,弄得不好,甚至会危及生物体的生命。


由于病毒是喜寒怕热的,而细菌在相对温暖环境下能够快速生长繁殖,所以我们看到,在冬春季比较寒冷的天气条件下,由流感病毒、SARS病毒、新型冠状病毒等病毒感染所引起的呼吸道疾病容易流行;而在夏日温暖的环境中,痢疾、腹泻等由细菌引起的消化道疾病容易高发。


要注意的是,冠状病毒对热较为敏感,-60℃可保存数年,病毒在4℃合适维持液中为中等稳定,但随着温度的升高,病毒的抵抗力下降,但必须达到一定温度且超过相应的时间才能灭活病毒。当达到56℃的温度30分钟可有效灭活病毒。但平时用空调制热升高环境温度不可能达到灭活病毒的效果,暖气温度也达不到杀灭病毒的效果。另外,太阳的照射温度不能达到56℃,日照紫外线的强度也达不到紫外灯的强度。