科学家尝试理解活性物并寻找生命世界的基本原理

 　　世界医疗网讯  起初，Zvonimir Dogic和学生选取了微管，并将其和驱动蛋白混在一起。前者是构成细胞内部骨架一部分的丝状蛋白，而后者是沿着这些“丝”穿行的马达蛋白。随后，研究人员让这种“鸡尾酒”的液滴悬浮在油上，并为其提供了名为三磷酸腺苷(ATP)的分子燃料。

　　令该团队惊奇和喜悦的是，这些分子自己组织形成了在每个液滴表面呈现出漩涡状的大尺度模式。身为美国马萨诸塞州布兰戴斯大学物理学家的Dogic介绍说，被蛋白连接起来的一大捆微管共同移动，就像“音乐会上一个人被举到头顶传来传去”。

　　通过这些在2012年被发表的试验，Dogic团队创建了一种新的液态晶。和作为对电场响应被动形成模式的标准液态晶显示中的分子不同，Dogic的成分非常活跃。它们能自我驱动，从周围环境，从ATP中摄取能量。同时，得益于独立移动的上千个单元的集体行为，它们能自发形成模式。

　　这些是被物理学家称为活性物的系统(过去几年里已成为一个重要研究对象)的特点。自然界中这样的例子不胜枚举，包括没有领头者但能连续飞行的鸟群以及流动的、形成结构的细胞骨架。它们被越来越多地在实验室中制造出来：研究人员利用诸如微管等生物学构造和包括把灯打开时会形成结构的微米级光敏塑性“游泳者”在内的合成成分，合成了活性物。“活性物”一词出现在标题或摘要中，并且经过同行评议的论文产出量从10年前的每年不到10篇增加到去年的近70篇。同时，去年陆续举办了一些关于该主题的国际研讨会。

　　群集的鸟类能同步形成一定模式。图片来源：Hans Overduin/NIS/Minden/Getty

　　生物体的自我组织

　　所有已知生命形式都基于自我驱动的、联合起来创建大尺度结构和移动的实体物。如果这没有发生，生物体将被限于利用诸如扩散等缓慢很多且被动的过程移动细胞或组织内的DNA和蛋白。同时，很多生命的复杂结构和功能可能永远不会进化出来。几十年来，生物学家和物理学家一直在推测生命物质的普遍机制，但关于分子过程的研究主要集中在辨别令人眼花缭乱的大量相关分子上，而不是阐明它们自我组织的机制。于是，如今被称为活性物研究的领域直到上世纪90年代中期才开始起步。

　　最有影响力的早期试验之一由当时在普林斯顿大学任教、如今在洛克菲勒大学工作的生物物理学家Stanislas Leibler带领的团队开展。这是最早证实像生命一样的复杂结构能自我组装微管和一些蛋白的团队之一。差不多同时，匈牙利布达佩斯罗兰大学理论生物物理学家Tamás Vicsek提出了一个颇具影响力的活性物模型。上世纪90年代初，Vicsek试图解释鸟群、细菌菌落和细胞骨架组件的集体运动。

　　他从德国物理学家Werner Heisenberg在1928年发明的一个磁性材料模型中找到了起点。Heisenberg将每个原子想象成自由旋转的条形磁铁，并且发现当这些原子磁铁之间的相互作用使它们中的大多数排成一条直线时，大范围磁性出现了。为解释活性物，Vicsek用移动的“箭头”代替这些微型磁铁，而“箭头”象征的颗粒物拥有同其“邻居”的平均速度相一致的速度，尽管存在一定的随机误差。这就是如今所谓的Vicsek鸟群模型。他的模拟显示，当足够多的“箭头”被塞进一个足够小的空间中，它们开始以同人们所熟悉的鸟群和鱼群移动极其相似的模式运动。

　　1994年，听了Vicsek关于此方面演讲的John Toner被这一观点吸引。如今在俄勒冈大学工作的Toner认为，Vicsek成群移动的“箭头”能被建模为连续流体。他利用描述从茶壶到海洋等所有物体中液体流动的流体动力学标准方程，将其进行改进，以便解释单个颗粒物是如何利用能量的。Toner的流体模型和Vicsek的离散粒子模型就一系列现象给出了基本相同的预测，并且带来了活性物模拟“家庭作坊”的兴起。

　　这里面仅有一个问题。法国巴黎高等师范学校物理学家Denis Bartolo表示，虽然模拟的活性物数量飙升，“但定量试验的数量没变，并且几乎接近于零”。实际工作颇具挑战：没有人想利用1万只鸟或1万条鱼开展控制试验。在微观尺度上，极少有科学家同时熟悉必需的理论工作和提纯分子组分所需的生物学实验室技术。