生物一起“流動”的奧秘

海生

生物群體的“流動”難以描述

伽利略說“大自然的語言是數(shù)學(xué)”。所以，科學(xué)家總是渴望用數(shù)學(xué)去描述所有自然現(xiàn)象。

迄今為止，他們在無機世界做得相當(dāng)成功。譬如，他們?yōu)橄窨諝夂退菢拥牧黧w建立了流體動力學(xué)方程，只需測量像壓力、粘度和流速等少數(shù)幾個基本參數(shù)，就能預(yù)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(xiàn)出某種類似“流體”的性質(zhì)。當(dāng)成千上萬只歐洲椋鳥在空中飛行時，會步調(diào)一致地變化隊形，很可以跟流體的行為媲美。盡管科學(xué)家也一直相信，其中暗含的規(guī)律必定能用數(shù)學(xué)來描述，但就是苦尋不著。

生物群體的“流動”之所以難以描述，困難在于：

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(tǒng)中輸入能量，這些能量直接就轉(zhuǎn)化為分子的動能，表現(xiàn)為分子的運動加劇。但在生命系統(tǒng)中輸入能量（譬如給生物喂食），能量既可能被用于個體的四處活動，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，會讓事情變得非常復(fù)雜。

所以不用奇怪，找到一套數(shù)學(xué)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(xiàn)在，這一狀況已有了改變。

可以預(yù)測的“活物”運動

早在15年前，印度科學(xué)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，那么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(qū)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(diào)整已有的液晶流動方程，來描述這類“活物”系統(tǒng)。他進行了嘗試。調(diào)整后的方程預(yù)言，剛開始“活物”的運動是隨機、無章法的，但隨著系統(tǒng)中“活物”濃度的增加，它們將進入步調(diào)一致的運動狀態(tài)。

為了檢驗這個預(yù)言，他和同事隨后開展實驗。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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)一些規(guī)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(fā)生了相變：在某個可以預(yù)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(yù)測的！

描述更接近生命的系統(tǒng)

受這個結(jié)果的鼓舞，拉瓦斯瓦密想看看這些規(guī)律是否能應(yīng)用于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(guān)于成纖維細胞，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(zhuǎn)動。拉瓦斯瓦密和同事猜測，可能是在其細胞質(zhì)中，由分子馬達驅(qū)動的蛋白質(zhì)纖維做集體運動，導(dǎo)致細胞質(zhì)產(chǎn)生旋渦，身處旋渦中的細胞核才不得不跟著轉(zhuǎn)動。

為了驗證這一猜測，他們用一種化學(xué)試劑來抑制蛋白纖維的活性。添加試劑之后，細胞核的旋轉(zhuǎn)果然明顯地減慢了。這證明猜想是對的，而且細胞質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)模式，也符合他們改進后的液晶方程的預(yù)測。

至此，他們的研究開辟了一個新領(lǐng)域。越來越多的研究投入其中，試圖預(yù)測形形色色“活物”系統(tǒng)的運動。這些系統(tǒng)都有一個特點，即組成系統(tǒng)的個體不像無機分子，它們能夠以更加靈活、復(fù)雜的方式與外界交換能量（當(dāng)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(fā)和借鑒。

生物的運動如何影響周圍流體

與此同時，科學(xué)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，使它能夠在水里蛙泳。它能在水中自如地活動，這是一個奇跡。因為對于如此微小的生物，在其生活的世界，完全為粘滯力所支配。它們在水中，應(yīng)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，像螺絲鉆一樣鉆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(xué)的生物學(xué)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，然后每秒鐘拍照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。但有了衣藻之后，普斯金預(yù)測，衣藻的運動會使顆粒擴散得更快——可能快10倍。

出來的結(jié)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(jié)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(huán)狀圖案，但大約有1/5的顆粒被卷入衣藻嘴巴前方的一個死區(qū)，即被衣藻鞭毛的擺動激起的小水渦。在進化上，這個死區(qū)對于衣藻可能非常重要。因為食物一旦進入死區(qū)，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，所以就被游動的衣藻頂著，被帶到更遠處。

當(dāng)普斯金在他的擴散方程中添加一項，來描述死區(qū)效應(yīng)之后，預(yù)言的塑料顆粒擴散速度就與實際情況相符了。

當(dāng)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(xiàn)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(xué)家們最后當(dāng)然是希望為群集生物的“流動”建立一個可靠的數(shù)學(xué)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(tǒng)有別于無機系統(tǒng)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(shù)學(xué)來描述的。