生物一起「流動」的奧秘

生物群體的「流動」難以描述

伽利略說「大自然的語言是數學」。所以，科學家總是渴望用數學去描述所有自然現象。

迄今為止，他們在無機世界做得相當成功。譬如，他們為像空氣和水那樣的流體建立了流體動力學方程，只需測量像壓力、粘度和流速等少數幾個基本參數，就能預測它們的流動。

但一旦涉足生命世界，他們就技窮了。譬如，生物的群體運動也表現出某種類似「流體」的性質。當成千上萬隻歐洲椋鳥在空中飛行時，會步調一致地變化隊形，很可以跟流體的行為媲美。儘管科學家也一直相信，其中暗含的規律必定能用數學來描述，但就是苦尋不著。

生物群體的「流動」之所以難以描述，困難在於：

第一，與無機分子相比，生命個體能以更加靈活的方式與外界交換能量。比如，在無機系統中輸入能量，這些能量直接就轉化為分子的動能，表現為分子的運動加劇。但在生命系統中輸入能量（譬如給生物餵食），能量既可能被用於個體的四處活動，也可以被儲存起來，或進入能量代謝。

第二，生物運動總是在空氣或水等流體中進行的，生物的運動攪動流體流動，流體的流動反過來又影響生物的運動，這樣彼此影響，會讓事情變得非常複雜。

所以不用奇怪，找到一套數學方程來解釋各種有機生命的「流動」，長期以來被認為是異想天開，但現在，這一狀況已有了改變。

可以預測的「活物」運動

早在15年前，印度科學家拉瓦斯瓦密就開始思考一個問題：既然群集生物的「流動」研究起來困難，那麼用一些比起無機物稍有「活氣」的東西做實驗，情況會如何呢？例如，這類東西雖然沒有感覺或新陳代謝，但可以利用能量來驅動自己。搞清楚了這類「活物」的運動，我們至少就有了一個起步。

拉瓦斯瓦密是一個液晶方面的專家。液晶在某些條件下可以像液體一樣流動。因此，他想知道是否可能調整已有的液晶流動方程，來描述這類「活物」系統。他進行了嘗試。調整後的方程預言，剛開始「活物」的運動是隨機、無章法的，但隨著系統中「活物」濃度的增加，它們將進入步調一致的運動狀態。

為了檢驗這個預言，他和同事隨後開展實驗。他們在一個振動器皿中放入上萬根小銅棒，每根只有米粒般大小。它們被平放在器皿中，每隔15秒鐘拍攝一次。振動給每根小銅棒提供了一點能量，使它能夠移動。他們發現，在密度低的時候，小銅棒的移動完全是隨機的。但在更高的密度下，開始出現一些規則的圖案，在一些地方擠在一起，在另一些地方又更加稀疏。就好像發生了相變：在某個可以預測的密度，小銅棒從根本上改變了它們的行為，開始像鳥群一樣做有組織的運動。而且，整個過程是可以用方程預測的！

描述更接近生命的系統

受這個結果的鼓舞，拉瓦斯瓦密想看看這些規律是否能應用於一些更接近生命的東西上。

他決定在成纖維細胞上做實驗。關於成纖維細胞，長期以來有一個奇怪的未解之謎，即它們的細胞核總在慢慢地轉動。拉瓦斯瓦密和同事猜測，可能是在其細胞質中，由分子馬達驅動的蛋白質纖維做集體運動，導致細胞質產生旋渦，身處旋渦中的細胞核才不得不跟著轉動。

為了驗證這一猜測，他們用一種化學試劑來抑制蛋白纖維的活性。添加試劑之後，細胞核的旋轉果然明顯地減慢了。這證明猜想是對的，而且細胞質的旋轉速度和旋轉模式，也符合他們改進後的液晶方程的預測。

至此，他們的研究開闢了一個新領域。越來越多的研究投入其中，試圖預測形形色色「活物」系統的運動。這些系統都有一個特點，即組成系統的個體不像無機分子，它們能夠以更加靈活、複雜的方式與外界交換能量（當然，與真正的生命比起來，程度又要差些）。這些研究為解決生物「流體」研究中的第一個困難提供了不少啟發和借鑒。

生物的運動如何影響周圍流體

與此同時，科學家在解決第二個困難，即研究生物運動與周圍流體相互作用方面，也取得了進展。

以衣藻為例。這種單細胞生物前端有兩根鞭毛，使它能夠在水裡蛙泳。它能在水中自如地活動，這是一個奇蹟。因為對於如此微小的生物，在其生活的世界，完全為粘滯力所支配。它們在水中，應該像我們陷入泥沼一樣才對。

最近的研究表明，藻類等單細胞生物是靠著鞭毛的擺動，像螺絲鑽一樣鑽穿水對它們造成的阻礙，來克服水的粘滯性的。

有了這些知識，英國約克大學的生物學家普斯金想看看衣藻到底是如何影響它周圍的流體的。他在充滿衣藻的一池水中，投入上萬顆非常小的塑料顆粒，然後每秒鐘拍照500次，觀察它們在水中的擴散。

如果水中沒有衣藻，你可以期望這些顆粒將隨機地受到水分子碰撞而在水池中擴散。但有了衣藻之後，普斯金預測，衣藻的運動會使顆粒擴散得更快——可能快10倍。

出來的結果是，快了將近500倍！普斯金以為實驗有誤，又重做了幾次，依然得到相同的結果。他注意到，雖然大部分顆粒浮在由衣藻激起的水波上，在其周圍形成一個環狀圖案，但大約有1/5的顆粒被捲入衣藻嘴巴前方的一個死區，即被衣藻鞭毛的擺動激起的小水渦。在進化上，這個死區對於衣藻可能非常重要。因為食物一旦進入死區，就被小渦旋困住，不容易漂走，這可以讓衣藻更方便地吃到。但在本實驗中，因為塑料顆粒不是食物，所以就被遊動的衣藻頂著，被帶到更遠處。

當普斯金在他的擴散方程中添加一項，來描述死區效應之後，預言的塑料顆粒擴散速度就與實際情況相符了。

當然，普斯金的方程僅僅能夠描述單個衣藻對周圍流體的影響，而在現實中，群集生物往往以集體的形式運動，影響整個流體的，也是集體運動，而不是單個個體的運動。但他的研究，畢竟已朝著解決問題邁出了一步。

科學家們最後當然是希望為群集生物的「流動」建立一個可靠的數學模型。在模型中，既考慮到生物集體運動與周圍流體的相互作用，又能計及生命系統有別於無機系統的自身特點。雖然離這個理想還有一段距離，但上述研究告訴我們，生物的群體運動是可以用數學來描述的。

小貼士:

分子馬達

指由生物大分子構成，利用化學能進行機械做功的納米系統。生命體的一切活動，包括肌肉收縮、物質運輸、DNA複製、細胞分裂等，追蹤到分子水平，都來源於具有馬達功能的蛋白質大分子做功推送的結果，因此它們被稱為分子馬達或蛋白質馬達。

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