誰是最厲害的發明家？墨子沙龍聚焦「神奇的生命物理之美」

2020-12-20 中新網上海

墨子沙龍 供圖

中新網上海新聞12月20日電(林梅 鄭瑩瑩)「大自然才是最偉大的發明家和創造者。」這就是中國科學院院士、物理學家湯超一直以來的觀點。12月19日，湯超在墨子沙龍和觀眾分享了他對這一觀點的體會。

計算機的發明，將人類帶入了信息化的時代。隨著計算機科學和技術的發展，計算機的運算能力越來越快，處理單位信息所需的能量也越來越少。如今我們手中的一部智慧型手機的運算能力，已經遠遠大於早期的經典計算機。這種成就往往讓我們產生錯覺，以為人類是最具創造力的發明家。

可是，如果你知道，低等如大腸桿菌這類生物，它處理信息的能力卻遠遠優於我們最先進的計算機，你會不會感到愕然呢？

事實上，大腸桿菌早在數億年前，就可以用接近物理極限的低能耗來處理信息。

我們在學習生物學和物理學的時候，體會可能完全不同——生物學的教材描述的世界多姿多彩五光十色，而物理學教材則更多的是理論公式；生物學多是描述已經存在的事實，而物理學還可以預測沒發生的事件。可是，兩個學科難道真的有這樣的分別嗎？湯超用各種實例，展示了一個富有物理之美的生物世界。

會飛的生物都是天生的流體力學專家，它們的飛行速度都巧妙地正比於其重量的1/6次方，我們人類用三個方程解出的問題，鳥兒早在人類誕生之前就熟練掌握；我們人類發明僅僅幾百年的斐波那契數列，向日葵和菠蘿天生完美展示；我們的細胞中還有一個設計精巧的「停車場」——內質網將自己摺疊成立體停車場的樣子，既省空間又內部聯通，摺疊蛋白的核糖體就穩穩地停在上面；真菌還手拿神槍，可以用小到毫米的身軀，把孢子射到 2.5 米開外，加速度比我們發射衛星的火箭還要大很多倍。

所以，生命現象有著遠遠超越生物學的範疇，蘊含著豐富的數學、物理、信息學、工程學。始於上世紀五十年代的第一次生物學革命，將物理學的思想和工具應用到生物學，揭示了DNA雙螺旋結構，分子生物學的時代拉開帷幕；而上世紀80年代開始的基因組學革命是第二次生物學革命，基因組測序，就是解讀我們生命的所有遺傳密碼，指數型的測序技術進步，推動生物學飛速發展。

湯超把生命比作說一輛汽車，第一次生物學革命，就是把汽車的零部件看得越來越清楚，第二次革命就是把汽車的說明書——也就是我們的基因組找到了。但是我們距離理解這本說明書還有一個巨大的鴻溝。

而第三次生物學革命，就是要通過各個學科的交叉融合，從不同的角度來看待生命系統，來理解這個汽車是怎麼工作的，它是怎麼裝起來的，它能跑多快，壞了怎麼修，他的壽命是什麼。答案都藏在基因組裡面，我們只有通過不同學科的交叉融合，才能找到謎題的答案。

湯超認為，大自然偉大的創新，是通過多樣性實現的。沒有多樣性，就沒有進化，更沒有創新。對於人類社會來說，創新型的教育至關重要，必須允許多樣性的存在，才能鼓勵創新。

與湯超一同做客墨子沙龍的，還有中國知名理論物理學家、國家自然科學二等獎獲得者、中國科學院院士歐陽鍾燦。作為在液晶物理研究領域蜚聲海內外的科學家，歐陽鍾燦告訴觀眾，液晶可不是人類的專利，生物體內天然就存在液晶——就是我們人體內紅血球外面的生物膜。

我們知道，紅血球呈雙凹碟狀，這一點曾經讓科學家十分困惑。因為根據能量最低原理，如果細胞裡面主要是液體，細胞膜應該呈球形才對。而晶體外形狀都是凸多面體，也與雙凹碟狀不符。科學家曾用各種假說試圖解釋紅血球的雙凹碟狀，有膜厚度不均理論、有電荷分布不均理論、有膽固醇分布不均理論等，但均被實驗一一否定。

既然液體和固體都無法解釋紅血球細胞膜的形狀，那麼用液晶來解釋可以嗎？1973年，W.Helfrich提出液晶生物膜理論，在40年之後獲得世界公認。

作為研究液晶的物理學家，歐陽院士也試圖用物理公式描述紅血球的形狀。在W.Helfrich的研究基礎上，他提出了鍾燦—赫爾弗雷奇方程，首次預言了紅血球細胞膜的環形形狀，並指出環的內外兩個圓的半徑必須滿足r/R=1/2或0，方程解釋了紅細胞在毛細血管中得以自由穿行的原因，並被全世界多家實驗室觀測證實。

後來，Helfrich生物膜理論還被用於研究膽甾相液晶螺旋膜形狀，甚至還推廣到了富勒烯與碳納米管形狀理論和病毒20面體對稱理論研究。液晶生物膜理論漸漸得到了學術界的關注和認可。

此次墨子沙龍的最後，中國科學技術大學常務副校長潘建偉院士與兩位嘉賓一起，就現場觀眾感興趣的問題進行了解答，並結合各自的科研經歷，對交叉學科和交叉研究給出了解讀。(完)

編輯：鄭瑩瑩

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