奇妙魔图

陈壮叔

抬头仰望晴朗夜空，繁星点点，激起了人们的无限遐想，那里有人吗?进一步又会深思，人究竟是什么?

这两个问题一直以来是个谜，过去它们是宗教界和哲学界探讨的领域，直到20世纪，现代宇宙学、生物分子学的出现，对它们的探索才进入了科学的轨道。但迄今，有外星人吗?仍无明确的回答。第二个问题倒是比较可靠，已在它的最简化的形式(即生命是什么)上展开了研究，且取得了不少的成就。

20世纪50年代，两位科学家克拉克和沃森揭开了生命科学中最关键的一页——发现了DNA(生命体中最基本的遗传物质)。DNA是生物分子组成的长链，它们总是两股交缠在一起，有如我们常吃的食品——麻花，而在两股之间的空隙中，镶嵌着四种不同的碱基分子对(人们分别用A、C、G、E表示)。如此看来，事情十分清楚，原来DNA携带着的就是遗传信息，有如长长的电报纸带上写着的密码。现在可以断言，生物种类(从细菌到人)虽然千千万万，但其核心内容却是宇宙信息(即遗传信息，而最初的遗传信息只能来自周围的宇宙环境)。各种各样的肉体，只不过是不同的信息载体罢了。

那么生命体所藏的宇宙信息是什么内容?我们现在时常听说，破译了大部分的DNA，这只是指搞清了它的三维空间结构(排列)罢了。当然，这也是了不起的科学成就!

从地球上出现生命，已有35亿年以上的历史，那么最初，无生命的一般物质是如何形成生命的呢?也是在20世纪的50年代，米勒等人在实验室内，模似了地球早期的条件，最终“制造”出了氨基酸，它是生命物质的重要组成。这一实验引起全球轰动，可是事情却到此为止，此后人们做了很多类似的实验，皆无进展。但说到底，生命物质是一种分子(或原子)的有序(排列)结构，而通常情况下，分子不可能排列成序。例如，你把许多粒小珠放在盒内，任意地摇一下，它们不可能成为一个整齐排列的组合。于是有一批科学家，他们另辟蹊径，从最基础做起，去研究分子的有序结构。这方面走在最前面的，也许要数诺贝尔奖得主、物理学家拉哈林等人。拉哈林说：“这是一个不小的发现，当物质出现自组织时，它们就具有突发的奇异性。但在宏观尺度上，你是找不到这种物质的自组织现象的。”拉哈林说，它处在所谓的中间尺度区域，也即处在几个纳米到1／10微米的区域，在这个尺度上的物质，会出现宏、微观(尺度)所不曾显现的特殊性质。在这个尺度上，你把更多的粒子堆积起来，它往往不是变得更大，而是完全变了样，几百至几千群的粒子突然会自组织成某种模型，而能对环境做出反应。这种神秘的自组织，最终导致生命的出现。

研究者说，生命可能从同样的组合原理中涌现出来，这些原理决定了物质的原子或电子以不平常的性质做排列。若能找到这一原理——这种大自然的组合技巧，那么人们就能设计出新的和不可预测其特性的材料，例如，在室温条件下的超导材料、某些全新的药物甚至某种超过生命的全人工系统。

两年前，加利福尼亚大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员，组成了一个研究网，称为复杂适应性物质研究所(ICAM)。他们说，他们已得知，在大自然中，自组织和组合是如何涌现出来的。

要从物质中找到引起这种突变(从混乱变成自组织)的原因，是非常困难的，但ICAM的研究者正在黑暗中摸索。因为在上述的中间尺度上，物质是很难看到的，它们刚好处在可见光波之外，且又十分脆弱经不起X光的辐照探测。但他们已获得了初步的成功，找到了大自然自组织的一个重要原理(它适用于生命和无生命物质)，他们称之为“对峙”原理。

物质内部一旦发生了自组织，就会产生出突发(即难以预料的)的行为。研究者说，这种突发行为总是出现在相互竞争的系统中。通常这种竞争力同时表现为排斥和吸引，如此不停地争斗下去，迫使物质团块在不稳定的状态中成长和成熟；然后，在恰当的条件下，这个物质团块可能突然进入一种全新(未曾预料)的状态。

超导现象的背后可能正是隐含着对峙原理。加州大学的台未斯已找到了证据，即一种对峙的争斗(双方谁也压不倒谁)，能导致该物体的电子在中间尺度的规模上，排列成某种模型。在此状态下，电子的运动失去了阻力，就出现了超导性。

台未斯等人对超导体做了长期的研究，他们在超导体氧化铜的薄片上，看到了一些3纳米大小的团块，其电子密度一度处在变化之中。就在那里，正进行着电力和磁力的拔河赛。正是这种(两个力)对峙，促使电子排列成这种模型。其他的研究者也认同台未斯的看法，认为“对峙”可能是大自然中一个普遍的自组织原理。

欲找到事情的本质，ICAM的研究者转向了蛋白质，因为它是自组织之王。为了修补DNA或在身体中运送氧，组成一个蛋白质的几百个氨基酸链，折叠成一种特殊的形态，这样的形态似乎具有一种保护性能，就像超导体中的电子排列，它们使得超导性(因环境影响)不易破坏。而蛋白质的这种惟一形态，使得它产生独有的作用，实际上也就是生命的最初始、最基本的功能。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的生物学家劳费得等人 (也是ICAM的成员)，发现了隐藏在蛋白质背后的“魔图”，具体地说，这是一系列漏斗形。

每个氨基酸链都有一个对应于它的形态的能量特征图，一个蛋白质的总能量，依赖于其原子的排列，且伴有吸引和排斥之力。若改变其排列形态，其所含能量也即发生变化。当科学家对这种能量特征图做出数学上的描述时，他们看到了一个含有无数峰和谷的曲面。在这里，峰意味着较高的能量，它使氨基酸的排列被拉紧，这就迫使(氨基酸)链展开；谷则代表一种有利的排列，它降低链的总的拉紧力。

劳费得等人说，关键是全部蛋白质都具有这种漏斗形的能量形态，它们是“一个漏斗套着一个漏斗……如此下去”。无论链处在任何运动状态，都能使它从一个谷进入下一个谷。由于有这样的漏斗，蛋白质最终处于最低的、最稳定的位置。劳费得说：“大自然选择了这样的漏斗形能量特征，若没有漏斗，链就不能合适地折叠起来。”ICAM的研究者说，可能要经过几年的努力，才能明确漏斗形特征是否是大自然自组织的普遍图谱。

尽管上述能量图谱概念在理论上还需完善，但现在，它正进入到技术应用的领域。2002年5月，一些ICAM的研究者已跟某些制药公司商谈，以探索蛋白质折叠中的原理是否可用于制药。制药商希望应用此能量图谱，设计出一些新药，它能把药物分子灌注到细胞内的管子(有病部分)上。这一机制将创造出仅跟病因蛋白质绑在一起的新药，而使正常的蛋白质免受影响。

ICAM的另一应用研究将是超导体，也即利用对峙原理(电和磁)，来设计出一种新型导体，最终将能在室温条件下工作。现在的(较低)温度，对超导体的应用来说，受到了很大限制，因太冷(－200℃左右)了，若能提高100℃，那么许多技术都将进行革命性的改进，从运输到医药摄影。

研究者认为，把奇怪的自组织粒子系统，收缩到中间的“生命尺度”是可行的。在那个区域，他们可能制造出奇异的新型机器，它的内部(即其零部件之间)处于所谓近摩擦状态，具体地说，一个零件跟另一个之间有相互的作用(如两个齿轮的耦合)，却找不到二者间有任何接触之处，而且，它们在实验室中能进行自组装。例如，可自组装出微小的“机器细菌”，用于清洁管道，它能比真细菌更有效地降低污染。由于机器细菌对环境做出反应，也是按同样的自组织原理，这样，就不需要配以惯用的内部程序。

但拉哈林等科学家还不很清楚，若我们应用了自组织原理，是否能超过真的生物?一些研究者也怀疑，ICAM真能创造出“活”的东西?

生命出于物质的自组织，对此，也许没有人反对，但生命的形态是否能以蛋白质为基础呢?目前就地球生命而言，蛋白质是最基本的生命物质，似乎具有普遍性。但已有一些科学家提出了别的生命形态。例如怀特赛得认为，自组织原理对网络也是同样有效的，“它具有很大的复杂性，它是一种十分丰实的环境，会发生不可预测的事情。”不过他承认，他对自己的观点还缺乏十分的把握，“我不知道，我是否能认出世界网络中的生命，而它倒可能已认出了我。”