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生物一起“流动”的奥秘

生物群体的“流动”难以描述

伽利略说“大自然的语言是数学”。所以,科学家总是渴望用数学去描述所有自然现象。

迄今为止,他们在无机世界做得相当成功。譬如,他们为像空气和水那样的流体建立了流体动力学方程,只需测量像压力、粘度和流速等少数几个基本参数,就能预测它们的流动。

但一旦涉足生命世界,他们就技穷了。譬如,生物的群体运动也表现出某种类似“流体”的性质。当成千上万只欧洲椋鸟在空中飞行时,会步调一致地变化队形,很可以跟流体的行为媲美。尽管科学家也一直相信,其中暗含的规律必定能用数学来描述,但就是苦寻不着。

生物群体的“流动”之所以难以描述,困难在于:

第一,与无机分子相比,生命个体能以更加灵活的方式与外界交换能量。比如,在无机系统中输入能量,这些能量直接就转化为分子的动能,表现为分子的运动加剧。但在生命系统中输入能量(譬如给生物喂食),能量既可能被用于个体的四处活动,也可以被储存起来,或进入能量代谢。

第二,生物运动总是在空气或水等流体中进行的,生物的运动搅动流体流动,流体的流动反过来又影响生物的运动,这样彼此影响,会让事情变得非常复杂。

所以不用奇怪,找到一套数学方程来解释各种有机生命的“流动”,长期以来被认为是异想天开,但现在,这一状况已有了改变。

可以预测的“活物”运动

早在15年前,印度科学家拉瓦斯瓦密就开始思考一个问题:既然群集生物的“流动”研究起来困难,那么用一些比起无机物稍有“活气”的东西做实验,情况会如何呢?例如,这类东西虽然没有感觉或新陈代谢,但可以利用能量来驱动自己。搞清楚了这类“活物”的运动,我们至少就有了一个起步。

拉瓦斯瓦密是一个液晶方面的专家。液晶在某些条件下可以像液体一样流动。因此,他想知道是否可能调整已有的液晶流动方程,来描述这类“活物”系统。他进行了尝试。调整后的方程预言,刚开始“活物”的运动是随机、无章法的,但随着系统中“活物”浓度的增加,它们将进入步调一致的运动状态。

为了检验这个预言,他和同事随后开展实验。他们在一个振动器皿中放入上万根小铜棒,每根只有米粒般大小。它们被平放在器皿中,每隔15秒钟拍摄一次。振动给每根小铜棒提供了一点能量,使它能够移动。他们发现,在密度低的时候,小铜棒的移动完全是随机的。但在更高的密度下,开始出现一些规则的图案,在一些地方挤在一起,在另一些地方又更加稀疏。就好像发生了相变:在某个可以预测的密度,小铜棒从根本上改变了它们的行为,开始像鸟群一样做有组织的运动。而且,整个过程是可以用方程预测的!

描述更接近生命的系统

受这个结果的鼓舞,拉瓦斯瓦密想看看这些规律是否能应用于一些更接近生命的东西上。

他决定在成纤维细胞上做实验。关于成纤维细胞,长期以来有一个奇怪的未解之谜,即它们的细胞核总在慢慢地转动。拉瓦斯瓦密和同事猜测,可能是在其细胞质中,由分子马达驱动的蛋白质纤维做集体运动,导致细胞质产生旋涡,身处旋涡中的细胞核才不得不跟着转动。

为了验证这一猜测,他们用一种化学试剂来抑制蛋白纤维的活性。添加试剂之后,细胞核的旋转果然明显地减慢了。这证明猜想是对的,而且细胞质的旋转速度和旋转模式,也符合他们改进后的液晶方程的预测。

至此,他们的研究开辟了一个新领域。越来越多的研究投入其中,试图预测形形色色“活物”系统的运动。这些系统都有一个特点,即组成系统的个体不像无机分子,它们能够以更加灵活、复杂的方式与外界交换能量(当然,与真正的生命比起来,程度又要差些)。这些研究为解决生物“流体”研究中的第一个困难提供了不少启发和借鉴。

生物的运动如何影响周围流体

与此同时,科学家在解决第二个困难,即研究生物运动与周围流体相互作用方面,也取得了进展。

以衣藻为例。这种单细胞生物前端有两根鞭毛,使它能够在水里蛙泳。它能在水中自如地活动,这是一个奇迹。因为对于如此微小的生物,在其生活的世界,完全为粘滞力所支配。它们在水中,应该像我们陷入泥沼一样才对。

最近的研究表明,藻类等单细胞生物是靠着鞭毛的摆动,像螺丝钻一样钻穿水对它们造成的阻碍,来克服水的粘滞性的。

有了这些知识,英国约克大学的生物学家普斯金想看看衣藻到底是如何影响它周围的流体的。他在充满衣藻的一池水中,投入上万颗非常小的塑料颗粒,然后每秒钟拍照500次,观察它们在水中的扩散。

如果水中没有衣藻,你可以期望这些颗粒将随机地受到水分子碰撞而在水池中扩散。但有了衣藻之后,普斯金预测,衣藻的运动会使颗粒扩散得更快——可能快10倍。

出来的结果是,快了将近500倍!普斯金以为实验有误,又重做了几次,依然得到相同的结果。他注意到,虽然大部分颗粒浮在由衣藻激起的水波上,在其周围形成一个环状图案,但大约有1/5的颗粒被卷入衣藻嘴巴前方的一个死区,即被衣藻鞭毛的摆动激起的小水涡。在进化上,这个死区对于衣藻可能非常重要。因为食物一旦进入死区,就被小涡旋困住,不容易漂走,这可以让衣藻更方便地吃到。但在本实验中,因为塑料颗粒不是食物,所以就被游动的衣藻顶着,被带到更远处。

当普斯金在他的扩散方程中添加一项,来描述死区效应之后,预言的塑料颗粒扩散速度就与实际情况相符了。

当然,普斯金的方程仅仅能够描述单个衣藻对周围流体的影响,而在现实中,群集生物往往以集体的形式运动,影响整个流体的,也是集体运动,而不是单个个体的运动。但他的研究,毕竟已朝着解决问题迈出了一步。

科学家们最后当然是希望为群集生物的“流动”建立一个可靠的数学模型。在模型中,既考虑到生物集体运动与周围流体的相互作用,又能计及生命系统有别于无机系统的自身特点。虽然离这个理想还有一段距离,但上述研究告诉我们,生物的群体运动是可以用数学来描述的。

小贴士:

分子马达

指由生物大分子构成,利用化学能进行机械做功的纳米系统。生命体的一切活动,包括肌肉收缩、物质运输、DNA复制、细胞分裂等,追踪到分子水平,都来源于具有马达功能的蛋白质大分子做功推送的结果,因此它们被称为分子马达或蛋白质马达。

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