施一公傳遞結構之美之妙：人是一堆原子，看到的太陽是8.5分鐘前的它

文/文匯講堂 高燁

施一公再次來到申城。再次掀起科學男神熱。與兩年前在華東師大逸夫會場擁躉坐到台階上相比，這次，南昌路的科學會堂提前半小時排隊安檢，小會議室最後換到了600人的大會場，這只是供報上名的滬上聽眾。

年齡各異的科學粉絲們絕非不理性，科學家施一公的「神事」，他們背得滾過爛熟。2008年在事業高峰之際，施一公從美國普林斯頓大學全職回清華大學任生命科學院院長，2014年，他獲得瑞典皇家學院愛明諾夫獎，獎勵過去15年內他利用X-射線晶體衍射在細胞凋亡研究領域作出的傑出貢獻；回國後，他帶領3名博士生廢寢忘食地工作，研究剪接體的三維結構取得突破性進展，2015年8月，在《科學》雜誌上發表了兩篇重量級研究論文；那年他還被任命為清華大學副校長；今年3月17日，他和潘建偉、饒毅等倡議下組建的中國第一所民辦高等研究院——浙江西湖高等研究院進展順利，首招博士了；清明節，央視播出《與親書》系列節目，施一公哼唱兒時父親騎車帶他出行時的《智取威虎山》中的曲段：今日痛飲慶功酒，壯志未酬誓不休；來日方長顯身手，甘灑熱血寫春秋！一聲「我現在做的事業正是父親當年想做的！」又讓聞者動容而自豪。

央視《與親書》系列節目中，施一公閱讀懷念父親時寫下的文章

4月22日，受「墨子號」首席科學家、墨子沙龍發起人潘建偉院士的邀請，這位既是中國科學院院士，又是美國科學院、美國藝術與科學院外籍院士的結構生物學家，登上第三期墨子沙龍的講壇，為現場500多名聽眾做了「結構之美」的報告，帶領聽眾從亘古的生命之源穿梭至遙遠的未來，領略宇宙的浩瀚和生命的精細之美，並深入到哲學層面，探討人類認知的局限。

墨子沙龍是2016年潘建偉院士提倡，中國科學技術大學上海研究院主辦的科普論壇，旨在向對科學有濃厚興趣的人進行專業的科學啟蒙。本次論壇由潘建偉主持

宇觀尺度之美：從宇宙起源到引力波探測

「我認為有兩類科學代表了人類認知的極致，一類是天體物理學，研究宇宙大尺度結構，一類是生命科學，研究細胞等微觀領域的規律。」講座伊始，施一公直入主題。

在縮略為一個月的宇宙史中，人類文明僅持續1秒

他從宇宙的起源談起。目前，科學界對宇宙起源有很多不同的解釋，影響比較大的是宇宙大爆炸理論，這個理論得到一些觀測證據的支持，比如，星系譜線紅移、宇宙微波背景輻射。按照宇宙大爆炸理論，宇宙是由137.5億年前的一個緻密奇點大爆炸後膨脹而成，科學家估計宇宙目前的直徑約930億光年，施一公指出，宇宙直徑除以宇宙年齡，計算結果大於光速，他認為這是一個很有意思的現象。對數字敏感的他，隨後列出一組數據：太陽系誕生於46億年前，地球上出現可以分裂的單細胞生物是在35億年前，在生命的進化史上，恐龍出現在2.3億年前並統治地球近2億年之久，智人出現在20萬年前，而人類文明僅有5000年。「如果把宇宙歷史縮略為1個月，那麼太陽、太陽系存在了10天，恐龍統治了8個小時，而人從直立行走到現在只持續了1分鐘，文明的存在只有1秒鐘。按照這樣的縮略歷史，人類還能往前再走1秒鐘嗎？」施一公的這個問題令現場聽眾陷入深思。

根據宇宙大爆炸理論，宇宙始於137.5億年前的大爆炸

結合歐洲空間局於2010年拍攝的宇宙全景圖，施一公再次用一組數據來反映地球在宇宙中的地位，「930億光年的宇宙中大約有2千億個銀河系大小的星系，其中每個星系又大約有2千億個太陽系大小的星系，在太陽系中，地球質量占太陽系質量的百萬分之三。這就是地球在宇宙中的位置，即2千億分之2千億分之百萬分之三，而地球上出現的高級生命，我們人類，試圖理解廣袤的宇宙。」

現在的宇宙包含2千億個銀河系大小的星系，每個銀河系大小的星系又有2千億個太陽系大小的星系

無窮小的黑洞可能是另一個無窮大的宇宙

為了進一步說明大尺度的美，施一公向聽眾分享了幾張照片，「上帝之眼」、「蝴蝶星雲」，宇宙深空發生的大尺度事件及大尺度天體結構令人嘆為觀止。（插入蝴蝶星雲等照片）他提及去年2月LIGO首次探測到的引力波，引力波又被稱為「宇宙琴弦」、「時空漣漪」，是廣義相對論的預言之一。LIGO科學家推測，13億光年的兩個質量分別為29個太陽質量和36個太陽質量的黑洞相互繞轉並不斷接近，最後併合為一個質量為62個太陽質量的黑洞，損失的3個太陽質量以引力波形式釋放，13億年後掠過地球，恰好被美國相距3000千米的兩台探測器探測到。在他看來，人類延伸的「感官」能夠「感知」數十億光年之外發生的現象，這是一件不可思議的事情。

引力波被比作時空的漣漪，是愛因斯坦廣義相對論的預言之一

施一公對宇宙中最奇特的天體黑洞做了解釋。黑洞是質量集中於空間上的一個奇點，其物質密度無窮大，在黑洞周圍存在一個區域，光一旦經過這個區域就會被黑洞俘獲，這個區域被稱為「視界」，黑洞質量決定視界半徑，質量越大，視界半徑越大，例如，一個質量為n個太陽質量的黑洞，其視界半徑為3n千米。據施一公介紹，視界邊緣會發生很多奇特的現象，例如，一個站在視界邊緣的人能看到自己的後腦勺，因為光線沿視界邊緣傳播正好拐了360度的彎。他認為黑洞一定不是無窮小，我們現在說的「黑洞無窮小」其實是用三維空間中的尺度去定義的，我們所看到的物體大小和形狀取決於三維空間中的光線，而光線的路徑受四維時空中引力影響，物體的大小也就與引力有關。但是黑洞周圍的引力巨大，使得時間和空間嚴重扭曲，黑洞本身的大小不能用三維空間中的大小去衡量，由此他推想，進入黑洞視界後的世界並不是一個無窮小的世界，而是一個無窮大的世界。不少物理學家和天文學家相信，存在很多平行宇宙，我們生活的宇宙只是其中很不起眼的一個，有的還認為黑洞的另一側是白洞，或者黑洞本身就是另一個宇宙。

黑洞是宇宙中最奇特的天體，其質量集中於一個沒有大小的點上，視界半徑大小也與其質量有關

「我們看到的月亮是1.3秒前的月亮」

神奇的黑洞讓現場聽眾領略到宇宙的奧妙，而現代科學中的時空概念則顛覆了大多數聽眾的慣常理解。「我們仰望星空時，看到的不僅是空間，還有時間，比如，我們看到的月亮其實是1.3秒之前的月亮，看到的太陽是8.5分鐘前的太陽，而1億光年之外的星體是它1億年前的形態，我們探測到的首例引力波是13億年前的現象。」施一公解釋，我們頭上的星空標記了宇宙不同時期的歷史。不僅如此，如果進一步推想，我們看到的周圍的每一個事物也都是它過去的狀態，因為光以有限速度傳播，光從一個地方傳到另一個地方都需要一定的時間，這樣就會產生延遲，只不過這種效應非常小，我們察覺不到。因為時間和空間的這層聯繫，二者被歸併為一個四維的連續體。

微觀尺度之美：從生命起源到結構生物學

在領略了宇觀尺度的美和奧妙後，施一公接著向聽眾呈現微觀世界的奧秘。「人是什麼？」施一公反問，「其實人就是一堆原子」，他以自己為例做了進一步說明，「我72公斤，根據構成人體的元素質量，我計算出，我大約由610-27個原子構成，絕大部分是氫原子，這些原子通過化學鍵形成小分子，小分子通過化學鍵形成大分子，大分子再形成小的蛋白質、磷脂、細胞器，然後組成細胞，細胞聚在一起形成組織，進而形成器官，最後再構成人體。你不覺得很神奇嗎？人怎麼可能夠理解自己？」

施一公向聽眾呈現微觀世界的奧秘，他認為人其實就是一堆原子

生命起源於35億年前的一個原始細胞

藉助於動畫模擬，施一公向聽眾展示了生命誕生過程：精子從卵子表面合適的位點鑽進去，分泌出一些酶，卵子立即封閉入口，不讓第二個精子進入。進入的精子被降解，只留下DNA，與卵子融合，形成二倍體。之後細胞開始分裂，分裂的受精卵在子宮內膜尋找著床點，這時候發育已經開始，細胞達到一定數量後開始著床，發育的第三周在彩超下就可以看到心臟，臨盆前三個月，所有器官、組織都形成，大腦的發育是最快的，並形成突觸聯結，為今後的學習記憶打下物質基礎。「生命的降生也是非常神奇的，我們目前還不能理解生命的過程。」他感慨於對生命進化的理解，地球上的所有物種，從人、老鷹、蜜蜂、樹木、大腸桿菌，都起源於35億年前的地球海洋里的一個原始細胞，但這樣一個遙遠的結論可能永遠無從證明。

X衍射法和綠色熒光蛋白探針助力生命科學研究

作為結構生物學家，施一公深知探究物質的結構的重要性，「在我看來，這個世界是由結構決定的。如果不了解物質的結構，也就無法了解世界，我們也就既不能把衛星送上天，也不能把火車開到預定的軌道。結構決定功能。當然除了結構之外，還有一些用數學公式表達的抽象定理。」而現代生物學對生物大分子和細胞結構的研究得益於X衍射法和熒光蛋白。

施一公從倫琴發現X射線開始介紹了X衍射法的發展，1912年，勞厄發現X射線的衍射現象，而X衍射成為一種系統的測定晶體結構的方法始於布拉格父子，次年，他們在勞厄發現的基礎上提出布拉格方程，並據此測出Nacl等晶體的結構。隨後，生物學家意識到，對於蛋白質晶體的結構，也可以用這種方法測定。蛋白質晶體越規整，它對X射線的衍射就越強，其結構也就越容易弄清楚。

1895年聖誕節前夕，倫琴用X射線拍攝了妻子的手，這是人類的第一張X線照片

據施一公介紹，綠色熒光蛋白是一種在藍光的激發下能發出綠光的蛋白質，最初在水母中發現，可用於標記生物分子或細胞。它呈圓柱狀，施一公笑稱其發光基團的縮寫正好為他姓名拼音的三個首字母SYG。華裔科學家錢永健對綠色熒光蛋白進行改造，不僅提高了其發光效率，還衍生出紅色、藍色、黃色等變種，使熒光蛋白成為現代生物科學研究的工具。通過基因重組能夠使大腸桿菌等細菌產生熒光蛋白，運用這樣的細菌可繪製出彩色的精美圖案，這些細菌也因此被施一公比作細菌藝術家。

華裔科學家錢永健對綠色熒光蛋白進行改造，右圖為其實驗室用注射熒光蛋白的大腸桿菌拼出的錢永健的英文名

對生物大分子結構的揭示有助於理解並戰勝疾病

施一公認為，對各種生物大分子結構的探索有助於理解生命現象的機理和本質，並揭示出新的藥物靶點，進行基於結構的藥物設計，從而造福人類。他用數據說明當今中國在生命科學領域面臨的挑戰：心血管疾病和癌症是國人健康的兩大殺手，每年約有303萬人死於心血管疾病，占死亡總人數的32%，265萬人死於癌症，佔比為28%，另一類神經退行性疾病，儘管死亡率不高，但是對人的困擾很大，嚴重影響生活質量，有多位世界名人都曾受這類疾病的折磨。而對生物大分子結構的研究有助於理解並戰勝這些疾病。

以神經退行性疾病為例。目前，全世界有4700萬患者，預計到2050年，會達到1.3億，患者增長速度比人口增長速度還快。伴隨這種疾病的是平均壽命的延長和社會老齡化，施一公感慨，自然界似乎用這種病來控制人口壽命，以緩解地球壓力。其中最具代表性的就是老年痴呆症，也叫阿爾茨海默綜合症。老年痴呆晚期的患者大腦殘缺不全，病人的生活不能自理。施一公相信一定能夠從分子水平去解釋阿爾茨海默症，「如果有一天我們對物質結構的理解達到驚人水平，可以把人體的每一個結構，小至原子，大至人體，都能認識得清清楚楚，只要把人體無限放大，就能看出哪個地方的哪個分子出了問題，這樣便能從根本上防控疾病」，施一公帶領的實驗室也在朝這個方向努力。

當今中國在生命科學領域面臨的挑戰：心血管疾病和癌症是國人健康的兩大殺手

γ-分泌酶並非老年痴呆症病因，但相關研究離真理近了一步

2015年8月，他的團隊構建了解析度高達3.4埃的γ-分泌酶的電鏡結構，γ-分泌酶被認為是導致老年痴呆症必不可少的一個致病蛋白，外界樂觀地預測，有了這項研究成果，科學家離攻克老年痴呆症也就不遠了。但是施一公向外界打了一針清醒劑，「絕大部分醫生仍然認為阿爾茨海默症是腦組織澱粉樣沉澱引起，根據我自己的研究和其他科學證據，我認為這是錯的。」 他進一步說，「通過高解析度的γ-分泌酶電鏡結構，我們搭建出它的原子模型，其功能就是產生澱粉樣沉澱。絕大部分醫生和科學家曾幻想，如果發現了γ-分泌酶的結構，我們也就能解釋阿爾茨海默症的發病原因，但遺憾的是，進一步分析γ-分泌酶的空間三維結構，我們發現，這個結構不僅不能解釋阿爾茨海默症的發病原因，而且可以證明這個結構不是阿爾茨海默症的病因。值得欣慰的是，我們畢竟離真理又近了一步。」

探測γ-分泌酶的結構被認為有助於揭示老年痴呆症的病因，但施一公團隊的研究推翻了這種樂觀的預期

人類認知的局限：眼見未必為實

儘管人類的認知範圍在大尺度上拓展到數十億光年之外而小尺度上也延伸到亞原子層面，但是在施一公看來，人類的認知還是受到外在和自身條件的限制。「照我看，『眼見』肯定不為『實』，但怎麼解釋我們的『眼見』使我們的生命更順暢呢？這並不矛盾，我們的『眼見』對於我們的感知系統是一種『實』，它當然能使我們感受到的形式更加順暢，但實際上，我們看到的『實』，只是相對於我們自身的『實』，是我們人作為一個物種的『實』，相對於其他人，或其他物種，它未必為『實』。」

施一公對此作了闡述，我們對事物的感知有90%是來自於視覺，其次是聽覺，來自味覺、嗅覺和觸覺的不到5%，我們的身體里共有10萬種蛋白，而我們的五種感官所需的蛋白不足千種，以視覺為例，感受顏色只需三種蛋白，它們在可見光範圍內各有一個吸收峰，吸收峰的位置不同決定視覺感受不同，色盲就是某個蛋白突變造成的。施一公指出，「我們稱為『色盲』病人的這些人對世界的感知其實是非常精妙的，儘管我們看到的一些顏色他們看不到，實際上，他們能看到的某些顏色，作為『正常人』的我們也看不到。我甚至懷疑，在座的任意兩個人看到的某個物體的顏色不完全一樣。每個人對顏色的感知存在差異，也就是說，你的客觀世界不同於另一個人的客觀世界，更不用說不同的物種之間了。」他列舉具體例子，金魚對顏色的感覺比人強大的多，能看到紫外光和紅外光，老鷹在5公里之外就能感知到地面兔子輻射出的紅外線，蜜蜂采蜜靠的是它對紫外線的感知，如果把「看」定義為生物對電磁波的反應，那麼甚至連植物都能「看」。

"色盲"病人看不到「正常人」能看到的顏色，但他們能看到的某些顏色，「正常人」也看不到

人類主要通過視覺感知世界，並受三維時空限制

人類主要通過視覺感知外部世界，而人的視覺只對390至760納米的電磁波敏感，這個範圍之外的電磁波對人而言是不可見的。施一公相信，很多物體客觀存在，但由於已知手段和現有的感知方式的局限，還不能為人所知。就目前對宇宙的認識，已知物質和能量存在形式只佔宇宙物質能量總量的4%，而暗物質佔23%，推動宇宙膨脹的暗能量佔73%，暗物質和暗能量是為了解釋某些現象才引入的，但它們究竟是什麼，目前仍是未知數。他在這條哲學思考的道路上走得更遠：我們對外部世界的感知還受我們所處的四維時空的約束。我們能清楚看到二維平面上的物體，想像摺疊、彎曲的平面，但我們無法想像彎曲的三維空間。

他引入《星際穿越》中的一幕，飛船穿過球狀蟲洞後進入另一個星系，這用三維空間的物質結構和運動方式是無法理解的。正因為如此，我們也無法理解黑洞。另外，物體之間的作用力需要粒子傳遞，傳遞過程會產生延遲，人眼看到或儀器設備探測到的現象其實都發生在過去，LIGO科學家觀測到的引力波事件發生在13億年前，而那個合并後的黑洞現在怎麼樣，它還存不存在，我們不知道。

電影《星際穿越》的一幕，飛船穿過球狀蟲洞後進入另一個星系

「神奇」是施一公在本次講座中用得最多的詞，他不僅在闡述某些觀點，更是在向聽眾傳遞他對宇宙和物質之奧妙的體驗。愛因斯坦曾說，「我們最美好的經歷莫過於對神秘的體驗，真正的藝術和科學就發源於這種基本情感」，楊振寧也說過，科學家發現奇妙的自然現象和不可思議的自然結構時，會感受到一種觸及靈魂的震動。有一則寓言在科學家團體中廣為流傳，當神做了義事時，眾神之神宙斯將帶他領略宇宙的奧秘，這是一個神所能得到的最高獎賞。能聆聽施一公分享探索宇宙奧秘的感悟，對於場內場外的聽眾不也是某種嘉獎嗎？

施一公的到來再掀科學男神熱，小會議室最後換到了600人的大會場

（未經嘉賓審核）

圖片來源現場：高燁、石瑛，其餘：網路

微信編輯袁琭璐

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