奇妙魔圖

陳壯叔

抬頭仰望晴朗夜空，繁星點點，激起了人們的無限遐想，那里有人嗎?進(jìn)一步又會深思，人究竟是什么?

這兩個問題一直以來是個謎，過去它們是宗教界和哲學(xué)界探討的領(lǐng)域，直到20世紀(jì)，現(xiàn)代宇宙學(xué)、生物分子學(xué)的出現(xiàn)，對它們的探索才進(jìn)入了科學(xué)的軌道。但迄今，有外星人嗎?仍無明確的回答。第二個問題倒是比較可靠，已在它的最簡化的形式(即生命是什么)上展開了研究，且取得了不少的成就。

20世紀(jì)50年代，兩位科學(xué)家克拉克和沃森揭開了生命科學(xué)中最關(guān)鍵的一頁——發(fā)現(xiàn)了DNA(生命體中最基本的遺傳物質(zhì))。DNA是生物分子組成的長鏈，它們總是兩股交纏在一起，有如我們常吃的食品——麻花，而在兩股之間的空隙中，鑲嵌著四種不同的堿基分子對(人們分別用A、C、G、E表示)。如此看來，事情十分清楚，原來DNA攜帶著的就是遺傳信息，有如長長的電報紙帶上寫著的密碼。現(xiàn)在可以斷言，生物種類(從細(xì)菌到人)雖然千千萬萬，但其核心內(nèi)容卻是宇宙信息(即遺傳信息，而最初的遺傳信息只能來自周圍的宇宙環(huán)境)。各種各樣的肉體，只不過是不同的信息載體罷了。

那么生命體所藏的宇宙信息是什么內(nèi)容?我們現(xiàn)在時常聽說，破譯了大部分的DNA，這只是指搞清了它的三維空間結(jié)構(gòu)(排列)罷了。當(dāng)然，這也是了不起的科學(xué)成就!

從地球上出現(xiàn)生命，已有35億年以上的歷史，那么最初，無生命的一般物質(zhì)是如何形成生命的呢?也是在20世紀(jì)的50年代，米勒等人在實驗室內(nèi)，模似了地球早期的條件，最終“制造”出了氨基酸，它是生命物質(zhì)的重要組成。這一實驗引起全球轟動，可是事情卻到此為止，此后人們做了很多類似的實驗，皆無進(jìn)展。但說到底，生命物質(zhì)是一種分子(或原子)的有序(排列)結(jié)構(gòu)，而通常情況下，分子不可能排列成序。例如，你把許多粒小珠放在盒內(nèi)，任意地?fù)u一下，它們不可能成為一個整齊排列的組合。于是有一批科學(xué)家，他們另辟蹊徑，從最基礎(chǔ)做起，去研究分子的有序結(jié)構(gòu)。這方面走在最前面的，也許要數(shù)諾貝爾獎得主、物理學(xué)家拉哈林等人。拉哈林說：“這是一個不小的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)出現(xiàn)自組織時，它們就具有突發(fā)的奇異性。但在宏觀尺度上，你是找不到這種物質(zhì)的自組織現(xiàn)象的?！崩终f，它處在所謂的中間尺度區(qū)域，也即處在幾個納米到1／10微米的區(qū)域，在這個尺度上的物質(zhì)，會出現(xiàn)宏、微觀(尺度)所不曾顯現(xiàn)的特殊性質(zhì)。在這個尺度上，你把更多的粒子堆積起來，它往往不是變得更大，而是完全變了樣，幾百至幾千群的粒子突然會自組織成某種模型，而能對環(huán)境做出反應(yīng)。這種神秘的自組織，最終導(dǎo)致生命的出現(xiàn)。

研究者說，生命可能從同樣的組合原理中涌現(xiàn)出來，這些原理決定了物質(zhì)的原子或電子以不平常的性質(zhì)做排列。若能找到這一原理——這種大自然的組合技巧，那么人們就能設(shè)計出新的和不可預(yù)測其特性的材料，例如，在室溫條件下的超導(dǎo)材料、某些全新的藥物甚至某種超過生命的全人工系統(tǒng)。

兩年前，加利福尼亞大學(xué)和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員，組成了一個研究網(wǎng)，稱為復(fù)雜適應(yīng)性物質(zhì)研究所(ICAM)。他們說，他們已得知，在大自然中，自組織和組合是如何涌現(xiàn)出來的。

要從物質(zhì)中找到引起這種突變(從混亂變成自組織)的原因，是非常困難的，但I(xiàn)CAM的研究者正在黑暗中摸索。因為在上述的中間尺度上，物質(zhì)是很難看到的，它們剛好處在可見光波之外，且又十分脆弱經(jīng)不起X光的輻照探測。但他們已獲得了初步的成功，找到了大自然自組織的一個重要原理(它適用于生命和無生命物質(zhì))，他們稱之為“對峙”原理。

物質(zhì)內(nèi)部一旦發(fā)生了自組織，就會產(chǎn)生出突發(fā)(即難以預(yù)料的)的行為。研究者說，這種突發(fā)行為總是出現(xiàn)在相互競爭的系統(tǒng)中。通常這種競爭力同時表現(xiàn)為排斥和吸引，如此不停地爭斗下去，迫使物質(zhì)團(tuán)塊在不穩(wěn)定的狀態(tài)中成長和成熟；然后，在恰當(dāng)?shù)臈l件下，這個物質(zhì)團(tuán)塊可能突然進(jìn)入一種全新(未曾預(yù)料)的狀態(tài)。

超導(dǎo)現(xiàn)象的背后可能正是隱含著對峙原理。加州大學(xué)的臺未斯已找到了證據(jù)，即一種對峙的爭斗(雙方誰也壓不倒誰)，能導(dǎo)致該物體的電子在中間尺度的規(guī)模上，排列成某種模型。在此狀態(tài)下，電子的運(yùn)動失去了阻力，就出現(xiàn)了超導(dǎo)性。

臺未斯等人對超導(dǎo)體做了長期的研究，他們在超導(dǎo)體氧化銅的薄片上，看到了一些3納米大小的團(tuán)塊，其電子密度一度處在變化之中。就在那里，正進(jìn)行著電力和磁力的拔河賽。正是這種(兩個力)對峙，促使電子排列成這種模型。其他的研究者也認(rèn)同臺未斯的看法，認(rèn)為“對峙”可能是大自然中一個普遍的自組織原理。

欲找到事情的本質(zhì)，ICAM的研究者轉(zhuǎn)向了蛋白質(zhì)，因為它是自組織之王。為了修補(bǔ)DNA或在身體中運(yùn)送氧，組成一個蛋白質(zhì)的幾百個氨基酸鏈，折疊成一種特殊的形態(tài)，這樣的形態(tài)似乎具有一種保護(hù)性能，就像超導(dǎo)體中的電子排列，它們使得超導(dǎo)性(因環(huán)境影響)不易破壞。而蛋白質(zhì)的這種惟一形態(tài)，使得它產(chǎn)生獨有的作用，實際上也就是生命的最初始、最基本的功能。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的生物學(xué)家勞費得等人 (也是ICAM的成員)，發(fā)現(xiàn)了隱藏在蛋白質(zhì)背后的“魔圖”，具體地說，這是一系列漏斗形。

每個氨基酸鏈都有一個對應(yīng)于它的形態(tài)的能量特征圖，一個蛋白質(zhì)的總能量，依賴于其原子的排列，且伴有吸引和排斥之力。若改變其排列形態(tài)，其所含能量也即發(fā)生變化。當(dāng)科學(xué)家對這種能量特征圖做出數(shù)學(xué)上的描述時，他們看到了一個含有無數(shù)峰和谷的曲面。在這里，峰意味著較高的能量，它使氨基酸的排列被拉緊，這就迫使(氨基酸)鏈展開；谷則代表一種有利的排列，它降低鏈的總的拉緊力。

勞費得等人說，關(guān)鍵是全部蛋白質(zhì)都具有這種漏斗形的能量形態(tài)，它們是“一個漏斗套著一個漏斗……如此下去”。無論鏈處在任何運(yùn)動狀態(tài)，都能使它從一個谷進(jìn)入下一個谷。由于有這樣的漏斗，蛋白質(zhì)最終處于最低的、最穩(wěn)定的位置。勞費得說：“大自然選擇了這樣的漏斗形能量特征，若沒有漏斗，鏈就不能合適地折疊起來?！盜CAM的研究者說，可能要經(jīng)過幾年的努力，才能明確漏斗形特征是否是大自然自組織的普遍圖譜。

盡管上述能量圖譜概念在理論上還需完善，但現(xiàn)在，它正進(jìn)入到技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域。2002年5月，一些ICAM的研究者已跟某些制藥公司商談，以探索蛋白質(zhì)折疊中的原理是否可用于制藥。制藥商希望應(yīng)用此能量圖譜，設(shè)計出一些新藥，它能把藥物分子灌注到細(xì)胞內(nèi)的管子(有病部分)上。這一機(jī)制將創(chuàng)造出僅跟病因蛋白質(zhì)綁在一起的新藥，而使正常的蛋白質(zhì)免受影響。

ICAM的另一應(yīng)用研究將是超導(dǎo)體，也即利用對峙原理(電和磁)，來設(shè)計出一種新型導(dǎo)體，最終將能在室溫條件下工作。現(xiàn)在的(較低)溫度，對超導(dǎo)體的應(yīng)用來說，受到了很大限制，因太冷(－200℃左右)了，若能提高100℃，那么許多技術(shù)都將進(jìn)行革命性的改進(jìn)，從運(yùn)輸?shù)结t(yī)藥攝影。

研究者認(rèn)為，把奇怪的自組織粒子系統(tǒng)，收縮到中間的“生命尺度”是可行的。在那個區(qū)域，他們可能制造出奇異的新型機(jī)器，它的內(nèi)部(即其零部件之間)處于所謂近摩擦狀態(tài)，具體地說，一個零件跟另一個之間有相互的作用(如兩個齒輪的耦合)，卻找不到二者間有任何接觸之處，而且，它們在實驗室中能進(jìn)行自組裝。例如，可自組裝出微小的“機(jī)器細(xì)菌”，用于清潔管道，它能比真細(xì)菌更有效地降低污染。由于機(jī)器細(xì)菌對環(huán)境做出反應(yīng)，也是按同樣的自組織原理，這樣，就不需要配以慣用的內(nèi)部程序。

但拉哈林等科學(xué)家還不很清楚，若我們應(yīng)用了自組織原理，是否能超過真的生物?一些研究者也懷疑，ICAM真能創(chuàng)造出“活”的東西?

生命出于物質(zhì)的自組織，對此，也許沒有人反對，但生命的形態(tài)是否能以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)呢?目前就地球生命而言，蛋白質(zhì)是最基本的生命物質(zhì)，似乎具有普遍性。但已有一些科學(xué)家提出了別的生命形態(tài)。例如懷特賽得認(rèn)為，自組織原理對網(wǎng)絡(luò)也是同樣有效的，“它具有很大的復(fù)雜性，它是一種十分豐實的環(huán)境，會發(fā)生不可預(yù)測的事情?！辈贿^他承認(rèn)，他對自己的觀點還缺乏十分的把握，“我不知道，我是否能認(rèn)出世界網(wǎng)絡(luò)中的生命，而它倒可能已認(rèn)出了我。”