科学家尝试理解活性物并寻找生命世界的基本原理

成群的鸟可以同时形成某种模式。照片来源:汉斯·奥敦/NIS/明登/盖蒂

起初，Zvonimir Dogic和他的学生选择微管并将其与驱动蛋白混合。前者是构成细胞骨架一部分的丝状蛋白质，而后者是沿着这些“丝”行进的运动蛋白质。研究人员随后将“鸡尾酒”液滴悬浮在油中，并为其提供一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的分子燃料。

令团队惊讶和高兴的是，这些分子组织起来形成了一个大规模的图案，在每个液滴的表面呈现出一个漩涡。马萨诸塞州布兰代斯大学的物理学家多吉克说，由蛋白质连接的一大束微管一起移动，就像“一个人被举到头顶，在音乐会上传递”。

通过2012年发布的这些测试，Dogic团队创造了一种新的液晶。标准液晶显示器中的分子是对电场的被动形成模式，与此不同，Dogic的组成非常活跃。他们可以自己开车，从周围环境和三磷酸腺苷中获取能量。同时，由于成千上万个独立运动的单位的集体行为，它们可以自发地形成模式。

这些被物理学家称为活性物质的系统的特征，在过去几年中已经成为一个重要的研究对象。自然界中有许多这样的例子，包括没有领导者但能连续飞行和移动的鸟群，结构性细胞骨架。它们越来越多地在实验室制造:研究人员利用生物结构(如微管)和合成成分(包括微米级光敏塑料“游泳者”)合成活性物质，这些物质在开灯时形成结构。“活性物质”一词出现在标题或摘要中，同行评议论文的产出从10年前的每年不到10篇增加到去年的近70篇。与此同时，去年一个接一个地举行了一些关于这一主题的国际研讨会。

有机体的自组织

所有已知的生命形式都是基于自我驱动的实体，它们联合起来创造大规模的结构和运动。如果这种情况没有发生，生物体将被限制在细胞或组织中使用更慢和被动的过程如扩散来移动DNA和蛋白质。同时，生命的许多复杂结构和功能可能永远不会进化。几十年来，生物学家和物理学家一直在推测生物的普遍机制，但对分子过程的研究主要集中在识别数量惊人的相关分子，而不是阐明它们的自组织机制。因此，现在被称为活性物质研究的领域直到20世纪90年代中期才开始。

最有影响力的早期实验之一是由斯塔尼斯拉斯·莱布勒领导的团队进行的，他是一名生物物理学家，当时在普林斯顿大学教书，现在在洛克菲勒大学工作。这是第一批证明像生命这样的复杂结构能够自我组装微管和一些蛋白质的团队之一。大约在同一时间，匈牙利布达佩斯罗兰大学的理论生物物理学家Tamas Vicsek提出了一个有影响力的活性物质模型。在20世纪90年代早期，维克斯试图解释鸟类群体、细菌群落和细胞骨架成分的集体运动。

他在德国物理学家维尔纳·海森堡于1928年发明的磁性材料模型中找到了自己的出发点。海森堡把每个原子想象成一个*旋转的条形磁铁，并发现当这些原子磁铁之间的相互作用使它们中的大部分对齐时，就出现了大范围的磁性。为了解释这种活性物质，维克塞用移动的“箭头”代替了这些微型磁铁，用“箭头”表示的粒子的速度与它们“邻居”的平均速度相同，尽管有一些随机误差。这就是今天所谓的维克斯鸟群模型。他的模拟显示，当足够多的“箭”被塞进足够小的空间时，它们开始以非常类似于鸟类和鱼类的熟悉运动方式运动。

约翰·托纳在1994年听了维克斯克关于这个问题的演讲，被这个观点所吸引。托勒现在在俄勒冈大学工作，他认为成组的Vicsek中的“箭头”可以被模拟为连续的流体。他改进了描述从茶壶到海洋的一切液体流动的标准流体动力学方程，以解释单个粒子如何使用能量。托纳的流体模型和维克斯的离散粒子模型对一系列现象给出了基本相同的预测，并为活性物质模拟带来了“家庭作坊”的兴起。

只有一个问题。法国巴黎高等师范学校的物理学家丹尼斯·巴托洛说，尽管模拟活性物质的数量激增，“定量测试的数量没有变化，几乎为零。”实际工作相当具有挑战性:没有人想用10，000只鸟或10，000条鱼做对照试验。在微观层面上，很少有科学家熟悉纯化分子成分所需的必要理论工作和生物实验室技术。

理论与实验相结合

直到本世纪初，理论和实验部分才开始结合起来。慕尼黑技术大学的物理学家Andreas Bausch领导了最早的精确定量实验之一。他和他的同事将肌动蛋白和肌球蛋白混合在一起，肌动蛋白是一种“细丝”，构成复杂细胞的大部分骨架，而肌球蛋白是一种分子马达，在肌动蛋白上“行走”并收缩肌肉。研究人员添加了——三磷酸腺苷，肌球蛋白的天然燃料，然后将混合物放在显微镜载玻片上观察。在较低的浓度下，肌动蛋白“丝”四处游走，没有可辨别的序列。然而，在更高的密度下，它们形成跳跃群、漩涡和环。鲍什和他的同事随机确定并量化了维克塞克和其他人预测的相变类型。他们在2010年发表的文章有助于刺激实验活性物质的兴起。

以下研究还包括Dogic在2012年进行的微管实验。他使用了另一种“行走”蛋白质——驱动蛋白。由此产生的模型比鲍许看到的更复杂和动态:流动的微管就像移动的指纹线。多基奇和团队成员还注意到，这种流动形成的有序排列偶尔会打破并产生“缺陷”:图案不连续，就像北极南北经线的交叉点。这些“缺陷”是非常动态的，像自动驱动的粒子一样四处移动。

当时，没有任何理论可以解释这种行为。2014年，锡拉丘兹大学的物理学家多吉奇、鲍许和克里斯蒂娜·马切蒂合作，从缺陷运动的角度而不是从单个晶体成分的角度来描述活性液晶在球形囊泡上的旋转。与此同时，研究小组发现，通过调节囊泡的直径和表面张力，可以改变缺陷的运动。这为控制活性晶体提供了一种可能的方法。

领域集成提高了接受度

一些生物学家希望这样的研究能揭示控制细胞分裂、形成或移动的基本原理。"这就像达尔文之前的林奈分类."马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的生物学家托尼·海曼说，“我们拥有所有这些分子，就像他们拥有所有物种一样，我们需要增加一些秩序和逻辑。”海曼认为活性物质可以提供这种逻辑。

然而，即使是*分子也承认主流生物学家可能需要被说服。"起初，我们的许多论文都被拒绝了。"海曼说部分原因是手稿使用了大量的数学知识，使得很难找到评论者。耶鲁大学的分子生物物理学家黄邦贤·霍华德认为，即使是“活跃”这个词也可能阻碍交流。“这有点像物理术语。”

然而，霍华德和海曼仍然希望随着领域的日益融合，接受度将会提高。海曼说:“我认为下一代生物学家将从一开始就接受物理训练。”

德累斯顿科技大学的生物物理学家斯蒂芬·格里尔认为这是一件好事，因为活性物质研究的进展需要科学家站在物理学和生物学研究的前沿。“终极宝藏就在交界处，但你必须将这两个领域推向极限。”(宗华)

中国科学新闻(2016-018，第三版国际)

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