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科普文章

比特斯拉还厉害的发明家,居然是他
发布时间:2020-12-20    1799   作者 | 林梅

计算机的发明,将人类带入了信息化的时代。随着计算机科学和技术的发展,计算机的运算能力越来越快,处理单位信息所需的能量也越来越少。如今我们手中的一部智能手机的运算能力,已经远远大于早期的经典计算机。这种成就往往让我们产生错觉,以为人类是最具创造力的发明家。可是,如果你知道,低等如大肠杆菌这类生物,它处理信息的能力却远远优于我们最先进的计算机,你会不会感到愕然呢?


事实上,大肠杆菌早在数亿年前,就可以用接近物理极限的低能耗来处理信息。


“其实,大自然才是最伟大的发明家和创造者。”这就是中国科学院院士、物理学家汤超一直以来的观点。11月19日,汤超在墨子沙龙现场和观众分享了他对这一观点的体会。


我们在学习生物学和物理学的时候,体会可能完全不同——生物学的教材描述的世界多姿多彩五光十色,而物理学教材则更多的是理论公式;生物学多是描述已经存在的事实,而物理学还可以预测没发生的事件。可是,两个学科难道真的有这样的分别吗?汤超用各种实例,展示了一个富有物理之美的生物世界。


会飞的生物都是天生的流体力学专家,它们的飞行速度都巧妙地正比于其重量的1/6次方,我们人类用三个方程解出的问题,鸟儿早在人类诞生之前就熟练掌握;我们人类发明仅仅几百年的斐波那契数列,向日葵和菠萝天生完美展示;我们的细胞中还有一个设计精巧的“停车场”——内质网将自己折叠成立体停车场的样子,既省空间又内部联通,折叠蛋白的核糖体就稳稳地停在上面;真菌还手拿神枪,可以用小到毫米的身躯,把孢子射到 2.5 米开外,加速度比我们发射卫星的火箭还要大很多倍。


所以,生命现象有着远远超越生物学的范畴,蕴含着丰富的数学、物理、信息学、工程学。始于上世纪五十年代的第一次生物学革命,将物理学的思想和工具应用到生物学,揭示了DNA双螺旋结构,分子生物学的时代拉开帷幕;而上世纪80年代开始的基因组学革命是第二次生物学革命,基因组测序,就是解读我们生命的所有遗传密码,指数型的测序技术进步,推动生物学飞速发展。


汤超把生命比作说一辆汽车,第一次生物学革命,就是把汽车的零部件看得越来越清楚,第二次革命就是把汽车的说明书——也就是我们的基因组找到了。但是我们距离理解这本说明书还有一个巨大的鸿沟。


而第三次生物学革命,就是要通过各个学科的交叉融合,从不同的角度来看待生命系统,来理解这个汽车是怎么工作的,它是怎么装起来的,它能跑多快,坏了怎么修,他的寿命是什么。答案都藏在基因组里面,我们只有通过不同学科的交叉融合,才能找到谜题的答案。


2009年,美国科学院颁布了纲领性文件《二十一世纪的新生物学》,文件描述的新生物学,就是通过各个学科交叉融合,对生物系统做出更深刻的理解,实现生物学从定性到定量、从观测性到预测性的转变。


最后,汤超认为,大自然伟大的创新,是通过多样性实现的。没有多样性,就没有进化,更没有创新。对于人类社会来说,创新型的教育至关重要,必须允许多样性的存在,才能鼓励创新。


与汤超一同做客墨子沙龙的,还有我国著名的理论物理学家、国家自然科学二等奖获得者、中国科学院欧阳钟灿院士。作为在液晶物理研究领域蜚声海内外的科学家,欧阳钟灿告诉观众,液晶可不是人类的专利,生物体内天然就存在液晶——就是我们人体内红血球外面的生物膜。


我们知道,红血球呈双凹碟状,这一点曾经让科学家十分困惑。因为根据能量最低原理,如果细胞里面主要是液体,细胞膜应该呈球形才对。而晶体外形状都是凸多面体,也与双凹碟状不符。科学家曾用各种假说试图解释红血球的双凹碟状,有膜厚度不均理论、有电荷分布不均理论、有胆固醇分布不均理论等,但均被实验一一否定。


既然液体和固体都无法解释红血球细胞膜的形状,那么用液晶来解释可以吗?1973年,W.Helfrich提出液晶生物膜理论,在40年之后获得世界公认。


作为研究液晶的物理学家,欧阳院士也试图用物理公式描述红血球的形状。在W.Helfrich的研究基础上,他提出了钟灿—赫尔弗雷奇方程,首次预言了红血球细胞膜的环形形状,并指出环的内外两个圆的半径必须满足r/R=1/2或0,方程解释了红细胞在毛细血管中得以自由穿行的原因,并被全世界多家实验室观测证实。


后来,Helfrich生物膜理论还被用于研究胆甾相液晶螺旋膜形状,甚至还推广到了富勒烯与碳纳米管形状理论和病毒20面体对称理论研究。液晶生物膜理论渐渐得到了学术界的关注和认可。


此次墨子沙龙的最后,中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士与两位嘉宾一起,就现场观众感兴趣的问题进行了解答,并结合各自的科研经历,对交叉学科和交叉研究给出了解读。


墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛,由中国科学技术大学上海研究院主办,中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办。


墨子是我国古代著名的思想家、科学家,其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现,“墨子沙龙”的建立,旨在传承、发扬科学传统,建设崇尚科学的社会氛围,提升公民科学素养,倡导、弘扬科学精神。科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众,我们希望能让具有中学同等学力及以上的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想。

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