生命中的物理學(xué)

思羽/編譯

生命中的物理學(xué)

思羽/編譯

●從群聚的鳥兒到蜂擁的分子，物理學(xué)家們正在試圖理解“活性物”——尋找我們所在的這個(gè)世界的基本理論。

首先，茲沃尼米爾·多吉克（Zvonimir Dogic）與他的學(xué)生們采用了微管（這是一種線狀的蛋白質(zhì)，構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)部的“細(xì)胞骨架”），將它們與驅(qū)動(dòng)蛋白混合，驅(qū)動(dòng)蛋白是一種馬達(dá)蛋白，像鐵軌上的火車一樣沿著這些微管移動(dòng)。接著，研究者讓這種混合物液珠懸浮在油里，再提供上被人稱為“三磷酸腺苷”（ATP）的分子燃料。

讓研究團(tuán)隊(duì)驚訝又欣喜的是，這些分子自組織成了大尺度的圖案，在每個(gè)液珠表面上旋轉(zhuǎn)。一束束微管由蛋白質(zhì)相連，按照多吉克的話來說，這些蛋白質(zhì)在一起移動(dòng)，“就像一個(gè)人在演唱會(huì)上玩人群沖浪?！倍嗉耸俏挥隈R薩諸塞州沃爾瑟姆的布蘭迪斯大學(xué)的一名物理學(xué)家。

在2012年發(fā)表的研究成果中，多吉克率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)用這些實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造出了一種新型液態(tài)晶體。常見的液晶顯示器內(nèi)的分子是應(yīng)對(duì)電場(chǎng)，被動(dòng)地形成圖案，多吉克研究出的合成物與此不一樣，是主動(dòng)地形成圖案。它們驅(qū)動(dòng)自身，從環(huán)境中取得能量——在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，是從ATP中獲得能量。它們自發(fā)地組成圖案，而這要?dú)w因于數(shù)以千計(jì)的單元自主移動(dòng)的集體行為。

這些是物理學(xué)家們稱為“活性物”的系統(tǒng)的特征，活性物在過去幾年里成為了重要的研究主題。實(shí)例在自然界里大量存在，其中包括沒有領(lǐng)頭鳥卻協(xié)調(diào)一致的鳥群，細(xì)胞內(nèi)流動(dòng)中形成結(jié)構(gòu)的細(xì)胞骨架。實(shí)驗(yàn)室里越來越多地制造出這些系統(tǒng)：研究者合成出活性物，采用了生物學(xué)中的“積木”（譬如微管），也采用人工合成的組件，其中包括微米尺度的光敏感塑料“泳客”，當(dāng)有人打開電燈時(shí)，它們就會(huì)組成結(jié)構(gòu)。標(biāo)題或摘要里出現(xiàn)了“活性物”三個(gè)字的同行評(píng)議論文已經(jīng)從十年前的每年不到10篇增長(zhǎng)到去年一年內(nèi)的將近70篇，而且在2015年里，有好幾場(chǎng)活性物主題的國(guó)際研討會(huì)得以舉行。

生命的秘密

研究者希望這些工作會(huì)引導(dǎo)他們得出關(guān)于活性物的完整且定量的理論。這樣的理論會(huì)建構(gòu)在物理學(xué)家們有著百年歷史的統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)力學(xué)能解釋原子和分子的運(yùn)動(dòng)怎么引發(fā)熱、溫度和壓力這些日?，F(xiàn)象。但它也能更進(jìn)一步，為一些仍然是謎團(tuán)的生物進(jìn)程（譬如細(xì)胞如何移動(dòng)，如何生成并維持自身的外形，如何分裂）提供數(shù)學(xué)框架?！拔覀兿胍幸豁?xiàng)力學(xué)和生命物質(zhì)統(tǒng)計(jì)的理論，得出一些狀況，可以與死亡微粒集做的研究進(jìn)行比較?！彼估锢贰だR斯瓦米（Sriram Ramaswamy）說道，他是一名物理學(xué)家，也是位于印度海得拉巴的塔塔基礎(chǔ)研究院下設(shè)的跨學(xué)科科學(xué)中心的主管。然而，可能要過上一段時(shí)間，這種希望才會(huì)得到滿足。

實(shí)驗(yàn)者們目前僅僅開始在實(shí)驗(yàn)室里獲得對(duì)活性物的控制。即使是這類研究最富熱情的支持者，也承認(rèn)迄今為止無人得出過一種能描述從細(xì)胞成分到鳥群的世間萬物的活性物理論。即使這樣的理論確實(shí)存在，主流生物學(xué)家們也遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不能從中看到價(jià)值。對(duì)于生物學(xué)家來說，生命物質(zhì)擁有活性這種想法“會(huì)是如此顯而易見，從而沒有包含太多信息?！眴碳{松·霍華德（Jonathon Howard）說道，他是康涅狄格州紐黑文耶魯大學(xué)的一名分子生物物理學(xué)家。

但那并未阻止支持者們幻想各種應(yīng)用，譬如自組裝的人造組織、自泵動(dòng)的微流體元件和新穎的仿生材料——盡管研究者承認(rèn)，這些想法距離實(shí)現(xiàn)仍然遙不可及。“我認(rèn)為，這個(gè)領(lǐng)域里要有所應(yīng)用，還為時(shí)尚早，因?yàn)閷?duì)于現(xiàn)實(shí)中會(huì)發(fā)生什么事，我們?nèi)匀挥悬c(diǎn)兒震驚。”安德烈亞斯·鮑施（Andreas Bausch）說道，他是德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的一名物理學(xué)家，“但我認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域里需要有人去做點(diǎn)嘗試。”

一切都聚在一起

所有已知的生命形式都建立在自驅(qū)動(dòng)的實(shí)體基礎(chǔ)上，這些實(shí)體聯(lián)接在一起創(chuàng)造出大規(guī)模結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。假若這種事沒有發(fā)生，有機(jī)體會(huì)受到局限，僅能使用更加緩慢的被動(dòng)過程（比如分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）來在細(xì)胞或組織內(nèi)移動(dòng)DNA和蛋白質(zhì)，生命的許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能也許永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)化。過去幾十年里，生物學(xué)家和物理學(xué)家們一直在推測(cè)生命物質(zhì)的一般原理，但是對(duì)細(xì)胞過程的研究已經(jīng)把重心放在確定相關(guān)的眾多分子上，而不是研究它們自組織的原理。結(jié)果，目前所知的活性物研究其實(shí)從上個(gè)世紀(jì)90年代中期才真正啟動(dòng)。

早期最具影響力的實(shí)驗(yàn)之中，有一項(xiàng)是斯坦尼斯拉斯·萊布勒（Stanislas Leibler）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)完成的，萊布勒是一名生物物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)在新澤西州普林斯頓大學(xué)工作，目前在紐約州洛克菲勒大學(xué)工作。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)最早展示出復(fù)雜的、類似生命的結(jié)構(gòu)可以由微管和一些蛋白質(zhì)（提供ATP）自組織而成。大約在同個(gè)時(shí)候，陶馬什·維切克（Tamás Vicsek）正在提出一種極具影響力的活性物模型，維切克是位于布達(dá)佩斯的羅蘭大學(xué)的一名理論生物物理學(xué)家。在上世紀(jì)90年代早期，維切克試圖解釋鳥群、細(xì)菌菌落和細(xì)胞骨架成分的集群運(yùn)動(dòng)，感覺到現(xiàn)有的所有理論都用不上?！斑@不像平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)力學(xué)，不是找本書，就能找到解決的做法。”巴黎居里研究所的物理學(xué)家讓-弗朗索瓦·若阿尼（Jean-Francois Joanny）說道。

與之相反，維切克在德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森堡于1928年開拓的一種磁性材料模型中發(fā)現(xiàn)了起點(diǎn)。海森堡想象每個(gè)原子是一塊自由旋轉(zhuǎn)的條狀磁體，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些原子磁體之間的相互作用導(dǎo)致大多數(shù)原子排列成形時(shí)，大尺度的磁性隨之出現(xiàn)。為了解釋活性物，維切克把極小的磁體替換成可移動(dòng)的“箭頭”，代表一些微粒，這些微粒的速度與它們毗鄰微粒的平均速度協(xié)同一致——雖然有一定量的隨機(jī)差錯(cuò)。這就引向了現(xiàn)在被稱為維切克集群模型的研究成果。他的模擬顯示，當(dāng)足夠量的箭頭容納在一塊足夠小的空間里的時(shí)候，它們開始以某些模式移動(dòng)，這些模式酷似令人感到熟悉的鳥群和魚群的移動(dòng)方式。

“我為之激動(dòng)，”維切克回憶道，他在1995年發(fā)表的關(guān)于該模型的論文已經(jīng)得到了3 500多次引用，“我當(dāng)時(shí)沿著走廊來回走，告訴大家我已經(jīng)設(shè)計(jì)出移動(dòng)版的海森堡模型?！?/p>

有一位物理學(xué)家被這個(gè)想法吸引，他名叫約翰·托納（John Toner），在1994年聽到維切克發(fā)表的相關(guān)演講。托納如今在位于尤金的俄勒岡大學(xué)任教，認(rèn)識(shí)到維切克的集群箭頭理論可以作為連續(xù)流體模型來處理。他采用了流體力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)方程式，這些方程式描述了各種流體的流動(dòng)，從茶壺到海洋，無所不包。他修改了這些方程式，解釋了這些單個(gè)微粒如何使用能量。托納的流體模型和維切克的離散微粒模型對(duì)范圍甚廣的各種現(xiàn)象給出了基本上相同的預(yù)測(cè)結(jié)果，開創(chuàng)了一個(gè)活性物模擬的小行當(dāng)。

只是存在著一個(gè)問題。法國(guó)里昂高等師范學(xué)校的物理學(xué)家德尼·巴爾托洛（Denis Bartolo）說，盡管模擬的數(shù)量突飛猛進(jìn)，“定量實(shí)驗(yàn)的數(shù)量始終沒變，差不多等于零?！睂?shí)際研究也具有挑戰(zhàn)性：沒人能期望用一萬只真正的鳥或一萬條真正的魚做控制性實(shí)驗(yàn)。在微觀尺度，很少有科學(xué)家既熟悉必要的理論研究（大多發(fā)表在物理學(xué)期刊上），同時(shí)又具備提純細(xì)胞成分所需的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

實(shí)踐的魔力

一直到21世紀(jì)頭十年后期，理論和實(shí)驗(yàn)研究才開始整合。鮑施領(lǐng)導(dǎo)了最早的一次精確定量實(shí)驗(yàn)。他和同事把肌動(dòng)蛋白（一種形成了復(fù)雜細(xì)胞的大多數(shù)細(xì)胞骨架的絲狀結(jié)構(gòu)）與肌球蛋白（一種分子馬達(dá)，能在肌動(dòng)蛋白上“行走”，促使肌肉收縮）混合。研究者添加了肌球蛋白的天然燃料ATP，接著把混合物放在載玻片上，在顯微鏡下進(jìn)行觀察?！拔覀儧]有做任何事；我們只是添加了一些東西?！滨U施說道。在低濃度下，肌動(dòng)蛋白微絲會(huì)游來游去，沒有能夠識(shí)別的秩序。但是在更高的密度下，它們會(huì)組成顫動(dòng)的集群、漩渦和索狀結(jié)構(gòu)。鮑施與同事們立刻識(shí)別出維切克和其他人預(yù)測(cè)過的那種相移，并予以量化。他們?cè)?010年發(fā)表的論文幫助開啟了活性物實(shí)驗(yàn)研究這塊新領(lǐng)域。

在隨后的研究之中，多吉克發(fā)表于2012年的微管實(shí)驗(yàn)使用了另一種能“行走”的蛋白質(zhì)——驅(qū)動(dòng)蛋白。結(jié)果獲得的模式圖形比鮑施見到的要復(fù)雜得多，動(dòng)態(tài)得多：流動(dòng)的微管看上去像移動(dòng)中的指紋渦。多吉克與他的研究團(tuán)隊(duì)也注意到，這種流動(dòng)的有序陣形偶爾會(huì)潰散，產(chǎn)生“瑕疵”：這些模式圖形中的不連續(xù)之處酷似北極和南極會(huì)聚于一點(diǎn)的經(jīng)線。這些“瑕疵”是動(dòng)態(tài)變化的，像自驅(qū)動(dòng)的微粒一樣四處移動(dòng)。

當(dāng)時(shí)沒有理論能解釋這種行為。但是在2014年，多吉克與鮑施、紐約州雪城大學(xué)物理學(xué)家克里斯蒂娜·馬爾凱蒂（Cristina Marchetti）攜手合作，通過“瑕疵”的移動(dòng)，而不是單個(gè)晶體元素的移動(dòng)來解釋活性液晶在球形囊上旋轉(zhuǎn)的行為。不止如此，這支研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以通過調(diào)整球形囊的直徑和表面張力來調(diào)節(jié)“瑕疵”的移動(dòng)，間接表明有一種可行的辦法可以控制活性晶體。

多吉克和他的學(xué)生如今正試圖讓別人大吃一驚。通過研究限制在小型的、甜甜圈外形的容器里的微管和蛋白質(zhì)的自然流動(dòng)，他們希望為一種自泵動(dòng)、能夠讓分子在微流體元件里移動(dòng)（類似于那些在實(shí)驗(yàn)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)上用得越來越普遍的元件）的流體打下基礎(chǔ)?；钚晕铩案淖兞宋覀儗?duì)材料的用處的想法?！倍嗉苏f。

但任何工業(yè)化應(yīng)用都必須要克服至少一個(gè)重大障礙。目前活性物實(shí)驗(yàn)中使用的生物材料價(jià)格昂貴，提純要耗費(fèi)大量時(shí)間——多吉克用到的微管來自于奶牛大腦，鮑施使用來自于兔子肌肉的肌動(dòng)蛋白——它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里只持續(xù)很短的存活期。鮑施說，在研究者找到一種廉價(jià)、健壯、現(xiàn)成的活性物材料來源之前，商業(yè)應(yīng)用是不太可能的。

合成活性物材料方面取得的進(jìn)步也許指出了前進(jìn)的道路。2013年，紐約大學(xué)物理學(xué)家保羅·蔡金（Paul Chaikin）和同事們描述了在球形聚合物內(nèi)部制造赤鐵礦微粒的做法，赤鐵礦是一種氧化鐵礦物。當(dāng)科學(xué)家們把這些“泳客”放進(jìn)雙氧水中，暴露在藍(lán)光下，化學(xué)反應(yīng)引起微粒自發(fā)移動(dòng)，時(shí)而聚在一起，時(shí)而散開，就像雞尾酒派對(duì)上的一群群賓客。

在2013年，巴爾托洛與同事報(bào)告了用更簡(jiǎn)單的導(dǎo)電性流體里的塑料小球?qū)崿F(xiàn)大尺度流動(dòng)。當(dāng)研究者開啟電場(chǎng)，塑料小球開始向隨機(jī)方向旋轉(zhuǎn)。在足夠高的密度下，毗鄰小球之間的相互作用導(dǎo)致它們向同個(gè)方向主動(dòng)成群翻滾。

然而，和那些通過40億年進(jìn)化在細(xì)胞中生成的物質(zhì)相比，這類實(shí)驗(yàn)室制造出的材料仍舊很原始。多吉克注意到，他使用的驅(qū)動(dòng)蛋白在把能量轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)方面比任何人類制造的馬達(dá)蛋白都更富效率。巴爾托洛也很快勸阻了短期內(nèi)收獲回報(bào)這樣的言論?！拔覜]有著眼于某個(gè)特定的應(yīng)用?！彼谡?wù)撃切┬D(zhuǎn)的塑料小球。

可能的應(yīng)用先擱置一旁，活性物讓科學(xué)家們?yōu)橹?dòng)，是因?yàn)樗绱讼袢祟愃淖顬閺?fù)雜的自組織系統(tǒng)：活的有機(jī)體。在2011年，多吉克與同事報(bào)告說，微管束一端固定于載玻片上的氣囊，以一致的節(jié)奏搏動(dòng)，波一樣的圖形怪異地讓人聯(lián)想起類似頭發(fā)的纖毛和鞭毛，有些細(xì)胞的表面會(huì)突起這兩種東西。在他于2012年發(fā)表的論文中，多吉克注意到他做出的微管流和細(xì)胞質(zhì)流之間有著驚人的相似性，在細(xì)胞質(zhì)流這個(gè)過程中，細(xì)胞骨架的絲狀結(jié)構(gòu)聯(lián)手把細(xì)胞的內(nèi)容物攪來攪去，就像“一臺(tái)巨大的洗衣機(jī)?！彼f道。

實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備的活性物和生物之間的相似可以說是不可思議的，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的物理學(xué)家詹妮弗·羅斯（Jennifer Ross）贊同道。她演講時(shí)展示了微管-驅(qū)動(dòng)蛋白球形系統(tǒng)的視頻，并詢問在場(chǎng)聽眾認(rèn)不認(rèn)為自己看到的是真正的細(xì)胞?！爸灰野堰@些視頻特地拿給細(xì)胞生物學(xué)家們看，他們總是會(huì)被騙到?！彼f。

但有些東西看起來像活的有機(jī)體，表現(xiàn)也像活的有機(jī)體，卻沒有遵循相同的規(guī)則，霍華德提醒道。他指出，多吉克的團(tuán)隊(duì)用大量蛋白質(zhì)創(chuàng)造出一些外表和行為都非常像纖毛或鞭毛的東西——但實(shí)際上也許行為方式大相徑庭。“有一些潛在的力學(xué)知識(shí)，但那是相當(dāng)抽象的?！彼f道。

這是否足夠？

為了查明活性物理論是否能揭開生物學(xué)機(jī)制，哈佛大學(xué)的一位生物物理學(xué)家丹尼爾·內(nèi)德勒曼（Daniel Needleman）研究了紡錘體：一種基于微管、能控制細(xì)胞分裂時(shí)染色體分離的結(jié)構(gòu)。早先的理論和實(shí)驗(yàn)暗示，短距離的微管-驅(qū)動(dòng)蛋白相互作用自身就足以生成紡錘體一樣的結(jié)構(gòu)，他想要測(cè)試這種想法。他首先使用尖端顯微鏡檢查了來自青蛙卵細(xì)胞的提取物，確定微管密度、方向、應(yīng)力在紡錘體形成時(shí)的量值?！斑@其實(shí)一點(diǎn)也不清楚，直到丹尼爾取得進(jìn)展，清楚你可以測(cè)量這些值?！被羧A德說。

內(nèi)德勒曼接著將他測(cè)量到的結(jié)果與活性物如何自組織的模型融合。在2014年，他和位于德國(guó)德累斯頓的馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的一位生物學(xué)家揚(yáng)·布呂蓋斯（Jan Brugués）一起提出，與理論一致，他們觀察到的近距離微管之間的相互作用足以生成紡錘體，并保持其穩(wěn)定?！叭藗儬?zhēng)辯說，你需要更復(fù)雜的過程，”內(nèi)德勒曼說，“但事實(shí)上，我們可以對(duì)紡錘體了解這么多，又沒有借助任何復(fù)雜過程，這表明復(fù)雜過程是肯定不必要的?！?/p>

其他人正在使用從活性物得出的想法，探索在組織生長(zhǎng)、傷口愈合和腫瘤擴(kuò)散之類的過程中，多大數(shù)量的細(xì)胞會(huì)組織起來。包括馬爾凱蒂、若阿尼和位于德累斯頓的馬克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所的弗蘭克·于利歇爾（Frank Jülicher）在內(nèi)的理論家們已經(jīng)為組織和腫瘤建立了模型，認(rèn)為它們是通過短距離內(nèi)細(xì)胞間相互作用——而不是化學(xué)信號(hào)——形成自組織的流動(dòng)細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)者正在測(cè)試這些想法，比如說通過顯示活性物理論能幫助描述出發(fā)育中的果蠅翅膀中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

一些生物學(xué)家希望，這類研究會(huì)揭示出控制細(xì)胞如何分裂、成形或移動(dòng)的基本原理。“就像達(dá)爾文出現(xiàn)前的林奈分類法?！瘪R克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的生物學(xué)家托尼·希曼（Tony Hyman）說，“我們已經(jīng)有了所有分子，就像他們有了所有那些物種，我們需要把一些類型的秩序、一些類型的理性放到幕后?！毕ＢJ(rèn)為，活性物能提供那種理性。

但就算是熱衷人士也承認(rèn)，主流生物學(xué)家也許需要被說服?！拔覀円婚_始有許多論文被退回?！毕Ｂf——部分原因是論文稿子里大量用到了數(shù)學(xué)，使論文難以尋找到評(píng)議人。即使“活性物”這個(gè)術(shù)語(yǔ)也可能阻礙交流，霍華德補(bǔ)充說，“這有點(diǎn)像物理學(xué)詞匯。”

然而，霍華德和希曼希望不同領(lǐng)域間越來越多的融合會(huì)有助于接受的過程。希曼說，在生物學(xué)家之中，“我認(rèn)為新一代生物學(xué)家會(huì)從一開始就接受物理學(xué)方面的訓(xùn)練?！钡吕鬯诡D工業(yè)大學(xué)的生物物理學(xué)家斯特凡·格里爾（Stephan Grill）補(bǔ)充說，因?yàn)榛钚晕锓矫娴倪M(jìn)展要求科學(xué)家能站在物理學(xué)和生物學(xué)的前沿?！澳芙o人回報(bào)的金罐在物理學(xué)和生物學(xué)的交界處，”他說，“但你得要把兩個(gè)領(lǐng)域推出各自的極限?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]