起初，ZvonimirDogic和學生選取了微管，并將其和驅(qū)動蛋白混在一起。前者是構成細胞內(nèi)部骨架一部分的絲狀蛋白，而后者是沿著這些“絲”穿行的馬達蛋白。隨后，研究人員讓這種“雞尾酒”的液滴懸浮在油上，并為其提供了名為三磷酸腺苷（ATP）的分子燃料。
令該團隊驚奇和喜悅的是，這些分子自己組織形成了在每個液滴表面呈現(xiàn)出漩渦狀的大尺度模式。身為美國馬薩諸塞州布蘭戴斯大學物理學家的Dogic介紹說，被蛋白連接起來的一大捆微管共同移動，就像“音樂會上一個人被舉到頭頂傳來傳去”。
通過這些在2012年被發(fā)表的試驗，Dogic團隊創(chuàng)建了一種新的液態(tài)晶。和作為對電場響應被動形成模式的標準液態(tài)晶顯示中的分子不同，Dogic的成分非�；钴S。它們能自我驅(qū)動，從周圍環(huán)境，從ATP中攝取能量。同時，得益于獨立移動的上千個單元的集體行為，它們能自發(fā)形成模式。
這些是被物理學家稱為活性物的系統(tǒng)（過去幾年里已成為一個重要研究對象）的特點。自然界中這樣的例子不勝枚舉，包括沒有領頭者但能連續(xù)飛行的鳥群以及流動的、形成結構的細胞骨架。它們被越來越多地在實驗室中制造出來：研究人員利用諸如微管等生物學構造和包括把燈打開時會形成結構的微米級光敏塑性“游泳者”在內(nèi)的合成成分，合成了活性物�！盎钚晕铩币辉~出現(xiàn)在標題或摘要中，并且經(jīng)過同行評議的論文產(chǎn)出量從10年前的每年不到10篇增加到去年的近70篇。同時，去年陸續(xù)舉辦了一些關于該主題的國際研討會。
生物體的自我組織
所有已知生命形式都基于自我驅(qū)動的、聯(lián)合起來創(chuàng)建大尺度結構和移動的實體物。如果這沒有發(fā)生，生物體將被限于利用諸如擴散等緩慢很多且被動的過程移動細胞或組織內(nèi)的DNA和蛋白。同時，很多生命的復雜結構和功能可能永遠不會進化出來。幾十年來，生物學家和物理學家一直在推測生命物質(zhì)的普遍機制，但關于分子過程的研究主要集中在辨別令人眼花繚亂的大量相關分子上，而不是闡明它們自我組織的機制。于是，如今被稱為活性物研究的領域直到上世紀90年代中期才開始起步。
最有影響力的早期試驗之一由當時在普林斯頓大學任教、如今在洛克菲勒大學工作的生物物理學家StanislasLeibler帶領的團隊開展。這是最早證實像生命一樣的復雜結構能自我組裝微管和一些蛋白的團隊之一。差不多同時，匈牙利布達佩斯羅蘭大學理論生物物理學家TamásVicsek提出了一個頗具影響力的活性物模型。上世紀90年代初，Vicsek試圖解釋鳥群、細菌菌落和細胞骨架組件的集體運動。
他從德國物理學家WernerHeisenberg在1928年發(fā)明的一個磁性材料模型中找到了起點。Heisenberg將每個原子想象成自由旋轉(zhuǎn)的條形磁鐵，并且發(fā)現(xiàn)當這些原子磁鐵之間的相互作用使它們中的大多數(shù)排成一條直線時，大范圍磁性出現(xiàn)了。為解釋活性物，Vicsek用移動的“箭頭”代替這些微型磁鐵，而“箭頭”象征的顆粒物擁有同其“鄰居”的平均速度相一致的速度，盡管存在一定的隨機誤差。這就是如今所謂的Vicsek鳥群模型。他的模擬顯示，當足夠多的“箭頭”被塞進一個足夠小的空間中，它們開始以同人們所熟悉的鳥群和魚群移動極其相似的模式運動。
1994年，聽了Vicsek關于此方面演講的JohnToner被這一觀點吸引。如今在俄勒岡大學工作的Toner認為，Vicsek成群移動的“箭頭”能被建模為連續(xù)流體。他利用描述從茶壺到海洋等所有物體中液體流動的流體動力學標準方程，將其進行改進，以便解釋單個顆粒物是如何利用能量的。Toner的流體模型和Vicsek的離散粒子模型就一系列現(xiàn)象給出了基本相同的預測，并且?guī)砹嘶钚晕锬M“家庭作坊”的興起。
這里面僅有一個問題。法國巴黎高等師范學校物理學家DenisBartolo表示，雖然模擬的活性物數(shù)量飆升，“但定量試驗的數(shù)量沒變，并且?guī)缀踅咏诹恪薄嶋H工作頗具挑戰(zhàn)：沒有人想利用1萬只鳥或1萬條魚開展控制試驗。在微觀尺度上，極少有科學家同時熟悉必需的理論工作和提純分子組分所需的生物學實驗室技術。
理論和實驗相結合
直到本世紀初，理論和實驗部分才開始結合起來。慕尼黑工業(yè)大學物理學家AndreasBausch領導了最早的精確定量試驗之一。他和同事將肌動蛋白和肌球蛋白混合在一起??前者是形成復雜細胞中大部分骨架的“細絲”，而后者是在肌動蛋白上“行走”并且使肌肉收縮的分子馬達。研究人員加入肌球蛋白的天然燃料??ATP，然后將混合物放在顯微鏡載片上并且進行觀察。在較低濃度下，肌動蛋白“細絲”四處游蕩，沒有出現(xiàn)可以辨別的順序。但在較高密度下，它們形成了跳動的簇群、漩渦和環(huán)狀物。Bausch和同事隨機識別并量化了Vicsek和其他人曾預測的相變類型。他們在2010年發(fā)表的文章幫助刺激了實驗性活性物領域的興起。
緊隨其后的研究還有Dogic在2012年開展的微管實驗。他利用了另一種“行走”的蛋白??驅(qū)動蛋白。由此獲得的模式比Bausch見到的更加復雜和有活力：流動的微管像移動中的指紋螺紋。Dogic和團隊成員還注意到，這種流動形成的有序排列偶爾會破裂并產(chǎn)生“缺陷”：像南北極經(jīng)線交會一樣的模式不連續(xù)性。這些“缺陷”非常有活力，像自我驅(qū)動的顆粒物一樣四處運動。
當時，沒有任何一種理論能解釋這種行為。2014年，Dogic和Bausch、雪城大學物理學家CristinaMarchetti合作，從缺陷移動而非單個晶體組件的角度描述了活性液態(tài)晶在球形小泡上旋轉(zhuǎn)的行為。同時，該團隊發(fā)現(xiàn)，可通過調(diào)整小泡的直徑和表面張力，改變?nèi)毕莸倪\動。這為控制活性晶體提供了一種可能的方法。
領域融合提升接受度
一些生物學家希望，此類研究將揭示控制細胞如何分裂、成形或運動的基本原理。“這就像達爾文出現(xiàn)前的林奈分類法�！瘪R克斯普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所生物學家TonyHyman表示，“我們已獲得所有這些分子，就像他們擁有了所有物種，而我們需要將一些順序和邏輯加進去�！盚yman認為，活性物能提供這種邏輯。
不過，即便是狂熱者也承認，主流生物學家可能需要被說服。“起初，我們的很多論文都被拒掉�！盚yman說，部分原因在于手稿中運用了大量數(shù)學知識，使其很難找到評審者。耶魯大學分子生物物理學家JonathonHoward則認為，即使是“活性物”一詞，可能都會有礙交流�！八悬c像物理學術語。”
不過，Howard和Hyman仍希望，隨著領域之間的融合不斷增加，接受度將有所提升。Hyman說：“我認為，即將出現(xiàn)的新一代生物學家從一開始便會獲得物理學方面的培訓�！�
德累斯頓工業(yè)大學生物物理學家StephanGrill認為，這是好事，因為活性物研究的進步需要處于物理學和生物學研究前沿的科學家。“最終的寶藏位于交界處，但你不得不將這兩個領域推向它們的極限�！�
本文來自：逍遙右腦記憶 http://portlandfoamroofing.com/gaozhong/372953.html
相關閱讀：2015年高考生物考點分布統(tǒng)計表(全國卷II)