2012年，美國馬薩諸塞州布蘭德斯大學(xué)物理學(xué)家佐尼莫·多吉克和學(xué)生把微管蛋白和驅(qū)動(dòng)蛋白加入油中混合，形成一種懸浮液滴，再加入三磷酸腺苷（ATP）。微管蛋白是構(gòu)成細(xì)胞骨架的一部分，形狀如細(xì)絲；驅(qū)動(dòng)蛋白是沿著這些細(xì)絲移動(dòng)的一種馬達(dá)蛋白質(zhì)，就像火車跑在鐵軌上；而三磷酸腺苷是推動(dòng)火車的燃料。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些分子能自己組織成更大的圖案，在油滴中旋轉(zhuǎn)。成束的微管由驅(qū)動(dòng)蛋白連接，移動(dòng)聚攏在一起，創(chuàng)造了一種新型液晶。這種液晶與標(biāo)準(zhǔn)液晶顯示器不同，標(biāo)準(zhǔn)液晶顯示器中的分子是在電場作用下被動(dòng)地形成圖案，而新液晶分子是自行推進(jìn)，從周圍環(huán)境中獲取能量，主動(dòng)形成圖案：成千上萬個(gè)體獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的集體行為，讓它們自然形成了某種圖案。

　　自然界這樣的例子還很多，如一致飛行的鳥群，它們之中并沒有領(lǐng)導(dǎo)者。實(shí)驗(yàn)室造出的例子也越來越多，不只微管這樣的生物材料，還有人造材料如微米級的光敏塑料球等。

　　這種有系統(tǒng)的特征，物理學(xué)家稱之為主動(dòng)物質(zhì)（Active matter）。過去幾年中，主動(dòng)物質(zhì)研究成了一項(xiàng)重要課題。

　　解釋生命秘密尚需時(shí)日

　　研究人員希望，這項(xiàng)工作能讓他們在已建立百年之久的統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)上，得出一個(gè)關(guān)于主動(dòng)物質(zhì)的完整的定量理論。統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論解釋了原子、分子的運(yùn)動(dòng)如何產(chǎn)生了日常所見的現(xiàn)象，如熱、溫度和壓力等。而主動(dòng)物質(zhì)理論將走得更遠(yuǎn)，為至今還很神秘的生物過程，如細(xì)胞是如何運(yùn)動(dòng)的、怎樣形成和維持自身形狀、怎樣分裂等等，提供一個(gè)數(shù)學(xué)框架。印度塔塔基礎(chǔ)研究所跨學(xué)科研究中心主管斯里萊姆·拉馬斯沃米說：“我們想得到一個(gè)關(guān)于活物質(zhì)的力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，就像我們研究無生命粒子的集合所得到的那種理論?！?/p>

　　但要實(shí)現(xiàn)這一宏愿，還需要時(shí)間。研究人員剛開始對實(shí)驗(yàn)室里的主動(dòng)物質(zhì)取得控制權(quán)，即使最熱心的支持者也承認(rèn)，還沒人構(gòu)造出一種能描述從細(xì)胞部件到鳥類所有這些東西的行為理論。即使真的有這種理論，也非主流生物學(xué)家認(rèn)為有價(jià)值的那種。美國耶魯大學(xué)紐黑文分校分子生物物理學(xué)家喬納森·霍華德說，對生物學(xué)家而言，“活物質(zhì)是主動(dòng)的”是如此顯而易見，其中根本就沒有更多道理。

　　主動(dòng)物質(zhì)讓人聯(lián)想到自組裝人造組織、自泵微流設(shè)備和新型仿生材料。但研究人員也承認(rèn)，這些想法還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。德國慕尼黑理工大學(xué)物理學(xué)家安德烈斯·鮑斯奇認(rèn)為，目前主動(dòng)物質(zhì)領(lǐng)域?qū)?yīng)用而言還太早，接下來會(huì)發(fā)生什么他們還無法預(yù)見，但這一領(lǐng)域確實(shí)需要有人來研究。

　　科學(xué)界堅(jiān)持不懈的研究

　　眾所周知，所有生命形式的基礎(chǔ)是自推進(jìn)個(gè)體結(jié)合在一起，產(chǎn)生了更大結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。如果沒有這一點(diǎn)，生物將被限制在更緩慢、被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程中（如DNA和蛋白質(zhì)在細(xì)胞或組織中的擴(kuò)散式運(yùn)動(dòng)），生命的諸多復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能或許永遠(yuǎn)無法進(jìn)化出來。幾十年來，生物學(xué)家和物理學(xué)家一直在猜測，活物質(zhì)中究竟有沒有一些普適的原理。但對細(xì)胞活動(dòng)的研究集中在識別成群結(jié)隊(duì)的分子上，而不是尋找它們自組織的原理。因此直到上世紀(jì)90年代中期，主動(dòng)物質(zhì)研究才算真正起步。

　　早期最有影響的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室由原美國普林斯頓大學(xué)生物物理學(xué)家斯坦尼斯拉斯·雷布勒帶領(lǐng)，他的團(tuán)隊(duì)證明了在供給ATP作為能量的條件下，微管和蛋白質(zhì)能自行組裝成復(fù)雜的類生命結(jié)構(gòu)。

　　上世紀(jì)90年代初，匈牙利羅蘭大學(xué)理論生物物理學(xué)家塔馬斯·維塞克開發(fā)出一個(gè)頗有影響的主動(dòng)物質(zhì)模型，被稱為“運(yùn)動(dòng)版的海森堡模型”。當(dāng)時(shí)維塞克試圖研究鳥群、細(xì)菌菌落和細(xì)胞骨架的整體運(yùn)動(dòng)，他意識到當(dāng)時(shí)這方面還沒有管用的理論。他在德國物理學(xué)家維爾納·海森堡1928年提出的一個(gè)磁性材料模型中找到了自己的出發(fā)點(diǎn)。海森堡把每個(gè)原子設(shè)想為一個(gè)自由旋轉(zhuǎn)的磁棒，當(dāng)這些原子磁棒間由于相互作用使得它們排列得比較整齊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的磁性。

　　為了解釋主動(dòng)物質(zhì)，維塞克用移動(dòng)“箭頭”代替小磁體，表示有一定速度的粒子，粒子速度為周圍粒子的平均速度（有一定的隨機(jī)誤差），這形成了現(xiàn)在所知的維塞克群集模型。他的模擬表明，當(dāng)很多箭頭擠在一個(gè)足夠狹小的空間時(shí)，它們就開始以類似于鳥群、魚群那樣的形似運(yùn)動(dòng)。目前這一模型論文已被大量引用。

　　俄勒岡大學(xué)的約翰·托納認(rèn)為，維塞克的群集箭頭還可以作為一種連續(xù)流體的模型。他把這一標(biāo)準(zhǔn)模型用在了流體力學(xué)中，描述液體在各種容器中的流動(dòng)，從茶壺到海洋，他還把單個(gè)粒子所用的能量也考慮進(jìn)去，對模型做了改進(jìn)。從本質(zhì)上，托納的流體模型和維塞克的離散粒子模型對多種廣泛的現(xiàn)象提出了同樣預(yù)測，也開創(chuàng)了一個(gè)新的領(lǐng)域——主動(dòng)物質(zhì)模擬。

　　此后模擬主動(dòng)物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)突飛猛漲，但還有一個(gè)問題。法國里昂高等師范學(xué)院物理學(xué)家丹尼斯·巴托羅說：“定量實(shí)驗(yàn)的數(shù)量保持不變，幾乎接近于零?！币?yàn)檫@種實(shí)驗(yàn)難度極大，沒人能控制一個(gè)包含1萬只鳥或1萬條魚的實(shí)驗(yàn)。而且在微觀方面，當(dāng)時(shí)既熟知物理期刊上的理論研究，又掌握提純細(xì)胞成分所需的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的科學(xué)家少之又少。

　　直到2000年后期，理論和實(shí)驗(yàn)才開始走到一起。博斯奇實(shí)驗(yàn)室是最早進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)之一。他和同事把肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白混合在一起，肌動(dòng)蛋白也是一種細(xì)絲狀的細(xì)胞骨架成分，肌球蛋白是行駛在肌動(dòng)蛋白絲上的一種分子馬達(dá)，會(huì)讓肌肉收縮。他們還在混合物中加了肌球蛋白的天然燃料ATP，然后把混合物放在顯微鏡下面觀察。博斯奇說：“我們沒有做任何事，僅僅是把這些材料加在一起。”

　　在濃度較低時(shí)，肌動(dòng)蛋白細(xì)絲四處漂游著，看不出什么秩序。當(dāng)濃度較高時(shí)，它們形成了有規(guī)律的叢集，漩渦和帶狀。這正是維塞克和另一位科學(xué)家預(yù)測過的過渡階段，博斯奇和同事立即識別了出來，并對這一階段做了定量研究。他們在2010年發(fā)表了論文，讓主動(dòng)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)這一領(lǐng)域火了起來。

　　隨后是多吉克2012年所做的微管實(shí)驗(yàn)，用了另一種馬達(dá)蛋白質(zhì)——驅(qū)動(dòng)蛋白。這種模式更復(fù)雜，比博斯奇的實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)性更強(qiáng)：流動(dòng)的微管看起來就像運(yùn)動(dòng)的指紋渦輪。多吉克團(tuán)隊(duì)還注意到，液體中有序的排列偶爾會(huì)被打破，產(chǎn)生“瑕疵”缺口，這種不連續(xù)圖案就像匯聚在南北極的經(jīng)線。這些缺口是動(dòng)態(tài)的，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就像能自我推進(jìn)的粒子。

　　當(dāng)時(shí)還沒有理論能解釋這種行為。到了2014年，多吉克和博斯奇團(tuán)隊(duì)、紐約錫拉丘茲大學(xué)物理學(xué)家克里斯蒂娜·瑪徹蒂聯(lián)合，共同闡述了一種圍繞球狀泡旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)液晶的性質(zhì)，其依據(jù)正是這種運(yùn)動(dòng)缺陷，而不是單個(gè)的晶體元素。研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，他們能通過改變泡泡的直徑和表面張力來調(diào)節(jié)缺口的運(yùn)動(dòng)，由此提出了一種控制主動(dòng)晶體的可行方法。

　　主動(dòng)物質(zhì)商業(yè)應(yīng)用尚遙遠(yuǎn)

　　多吉克團(tuán)隊(duì)正在向主動(dòng)物質(zhì)應(yīng)用目標(biāo)努力。他們想通過研究微管和蛋白質(zhì)在狹小的多納圈形容器中的自然流動(dòng)，為開發(fā)“自泵流”奠定基礎(chǔ)。自泵流是一種微流設(shè)備，其中液體分子能自己沿著設(shè)備管道運(yùn)動(dòng)，微流裝置在實(shí)驗(yàn)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)中已經(jīng)越來越普及。

　　但任何工業(yè)應(yīng)用都要克服至少一個(gè)主要障礙。目前，主動(dòng)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中所用的生物材料需要提純，這一過程既昂貴又耗時(shí)。多吉克實(shí)驗(yàn)中所用的微管來自牛腦，博斯奇用的肌動(dòng)蛋白來自兔子肌肉，而且它們在實(shí)驗(yàn)室的壽命很短。博斯奇認(rèn)為，在找到廉價(jià)、穩(wěn)定且現(xiàn)成的活性物質(zhì)原料之前，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化是不可能的。

　　主動(dòng)物質(zhì)材料的合成研究也一直在進(jìn)步。2013年，紐約大學(xué)物理學(xué)家保羅·柴金和同事描述了如何制作赤鐵礦粒子，這是一種氧化鐵礦物，包含在球形的高分子聚合物中。當(dāng)科學(xué)家把這些“微泳器”放在過氧化氫溶液中，用藍(lán)光照射，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)讓這些粒子自發(fā)地運(yùn)動(dòng)起來，聚集又分散，就像雞尾酒會(huì)上的人群。

　　2013年，巴托羅和同事報(bào)道了一種較大規(guī)模的流體，只是把簡單的塑料球放在導(dǎo)電溶液中。當(dāng)研究人員打開電場時(shí)，小球開始隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)密度足夠大時(shí)，小球和周圍的球相互作用，開始自發(fā)地按相同方向滾動(dòng)，就像一群鳥。

　　這種實(shí)驗(yàn)室造的材料還很原始，但只是相對于細(xì)胞花了40億年進(jìn)化才產(chǎn)生的材料而言。多吉克指出，在把能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)方面，他用的驅(qū)動(dòng)蛋白比任何人造馬達(dá)的效率要高得多。談到短期收益平衡，巴托羅也很快變得氣餒，他的旋轉(zhuǎn)塑料球還不針對任何特定的應(yīng)用。

　　主動(dòng)物質(zhì)或能揭示生物機(jī)制

　　但主動(dòng)物質(zhì)能激起這么多科學(xué)家的興趣，不止在于它可能的應(yīng)用，還在于它非常像最復(fù)雜的自組織系統(tǒng)：活生物。多吉克和同事在他們2011年的論文中稱，他們在顯微鏡下看到，微管束固定在氣泡的一端，以一種同步的、波動(dòng)模式跳動(dòng)，這種神秘現(xiàn)象讓人想起某些細(xì)胞表面的纖毛和鞭毛。次年，他們又發(fā)表論文指出，微管液體流動(dòng)和細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)之間有著驚人的相似，在細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)過程中，細(xì)胞骨架細(xì)絲結(jié)合在一起，攪動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的成分，就像“一臺(tái)巨大的洗衣機(jī)”。

　　馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校物理學(xué)家詹妮弗·羅斯認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備的主動(dòng)物質(zhì)和活生物之間的相似性似乎很神秘。她曾把微管—驅(qū)動(dòng)蛋白系統(tǒng)的視頻給細(xì)胞生物學(xué)家看，連他們都被愚弄了。

　　但霍華德警告說，有些東西看起來表現(xiàn)得像活的生物，但它們并不遵循同樣法則。多吉克團(tuán)隊(duì)造出了某種東西，它們在外觀和行為上都很像纖毛或鞭毛，但實(shí)際上，它們的作用原理可能完全不同。

　　為了檢驗(yàn)主動(dòng)物質(zhì)理論能否揭示生物機(jī)制，美國哈佛大學(xué)生物物理學(xué)家丹尼爾·尼德曼研究了紡錘絲，這是一種以微管為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞分裂時(shí)控制著染色體的分離。他想檢驗(yàn)早期理論和實(shí)驗(yàn)提出的一種觀點(diǎn)：只靠短程微管-驅(qū)動(dòng)蛋白相互作用，足以產(chǎn)生類似紡錘絲的結(jié)構(gòu)。他首先用了精密的顯微鏡來檢查從青蛙卵細(xì)胞中提取的物質(zhì)，定量確定了紡錘絲形成過程中微管的密度、方向和壓力。

　　隨后，尼德曼把他的檢測和主動(dòng)物質(zhì)如何自組織的模型結(jié)合。在2014年，他和德國馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物與遺傳學(xué)研究所生物學(xué)家詹·布魯格斯合作發(fā)表了論文，稱他們的實(shí)驗(yàn)與理論相符，他們觀察了稠密微管之間的相互作用，足以產(chǎn)生紡錘絲并穩(wěn)定地維持這種結(jié)構(gòu)。

　　其他研究人員正在用來自主動(dòng)物質(zhì)的觀點(diǎn)去檢測，在組織生長、傷口愈合、腫瘤傳播等過程中，大量的細(xì)胞是如何組織的?，攺氐俸婉R克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理學(xué)研究所的弗蘭克·朱利徹等人模擬了組織和腫瘤的細(xì)胞流動(dòng)，這些細(xì)胞是通過短程細(xì)胞間的相互作用自行組織而流動(dòng)，而不是靠化學(xué)信號。實(shí)驗(yàn)還在檢驗(yàn)?zāi)芊窭弥鲃?dòng)物質(zhì)理論，幫助揭示細(xì)胞在發(fā)育中是如何自組織的。一些生物學(xué)家希望，這些研究能揭示控制細(xì)胞分裂、成型或運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。

　　馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所生物學(xué)家托尼·海曼說：“它就像達(dá)爾文之前的林奈分類法。我們得到的所有這些分子，就像他們的所有物種，需要在其中加入某種秩序，揭示它們背后的某種原因?！倍鲃?dòng)物質(zhì)可能提供這一原因。

　　但主流生物學(xué)家需要令人信服的證據(jù)?；羧A德說，甚至“主動(dòng)物質(zhì)”這個(gè)詞也可能妨礙了溝通，“它是個(gè)物理學(xué)術(shù)語?！北M管如此，他們?nèi)韵Ｍ@兩個(gè)領(lǐng)域之間日益密切的結(jié)合有助于人們接納它。德累斯頓工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)家斯蒂芬·吉爾說，主動(dòng)物質(zhì)研究的進(jìn)步需要那些站在物理學(xué)和生物學(xué)前沿的科學(xué)家。“在交界的地方埋藏著金罐子，但你必須推開這兩個(gè)領(lǐng)域的限制。”