奇妙魔圖

陳壯叔

抬頭仰望晴朗夜空，繁星點點，激起了人們的無限遐想，那里有人嗎?進一步又會深思，人究竟是什么?

這兩個問題一直以來是個謎，過去它們是宗教界和哲學界探討的領域，直到20世紀，現代宇宙學、生物分子學的出現，對它們的探索才進入了科學的軌道。但迄今，有外星人嗎?仍無明確的回答。第二個問題倒是比較可靠，已在它的最簡化的形式(即生命是什么)上展開了研究，且取得了不少的成就。

20世紀50年代，兩位科學家克拉克和沃森揭開了生命科學中最關鍵的一頁——發現了DNA(生命體中最基本的遺傳物質)。DNA是生物分子組成的長鏈，它們總是兩股交纏在一起，有如我們常吃的食品——麻花，而在兩股之間的空隙中，鑲嵌著四種不同的堿基分子對(人們分別用A、C、G、E表示)。如此看來，事情十分清楚，原來DNA攜帶著的就是遺傳信息，有如長長的電報紙帶上寫著的密碼。現在可以斷言，生物種類(從細菌到人)雖然千千萬萬，但其核心內容卻是宇宙信息(即遺傳信息，而最初的遺傳信息只能來自周圍的宇宙環境)。各種各樣的肉體，只不過是不同的信息載體罷了。

那么生命體所藏的宇宙信息是什么內容?我們現在時常聽說，破譯了大部分的DNA，這只是指搞清了它的三維空間結構(排列)罷了。當然，這也是了不起的科學成就!

從地球上出現生命，已有35億年以上的歷史，那么最初，無生命的一般物質是如何形成生命的呢?也是在20世紀的50年代，米勒等人在實驗室內，模似了地球早期的條件，最終“制造”出了氨基酸，它是生命物質的重要組成。這一實驗引起全球轟動，可是事情卻到此為止，此后人們做了很多類似的實驗，皆無進展。但說到底，生命物質是一種分子(或原子)的有序(排列)結構，而通常情況下，分子不可能排列成序。例如，你把許多粒小珠放在盒內，任意地搖一下，它們不可能成為一個整齊排列的組合。于是有一批科學家，他們另辟蹊徑，從最基礎做起，去研究分子的有序結構。這方面走在最前面的，也許要數諾貝爾獎得主、物理學家拉哈林等人。拉哈林說：“這是一個不小的發現，當物質出現自組織時，它們就具有突發的奇異性。但在宏觀尺度上，你是找不到這種物質的自組織現象的。”拉哈林說，它處在所謂的中間尺度區域，也即處在幾個納米到1／10微米的區域，在這個尺度上的物質，會出現宏、微觀(尺度)所不曾顯現的特殊性質。在這個尺度上，你把更多的粒子堆積起來，它往往不是變得更大，而是完全變了樣，幾百至幾千群的粒子突然會自組織成某種模型，而能對環境做出反應。這種神秘的自組織，最終導致生命的出現。

研究者說，生命可能從同樣的組合原理中涌現出來，這些原理決定了物質的原子或電子以不平常的性質做排列。若能找到這一原理——這種大自然的組合技巧，那么人們就能設計出新的和不可預測其特性的材料，例如，在室溫條件下的超導材料、某些全新的藥物甚至某種超過生命的全人工系統。

兩年前，加利福尼亞大學和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員，組成了一個研究網，稱為復雜適應性物質研究所(ICAM)。他們說，他們已得知，在大自然中，自組織和組合是如何涌現出來的。

要從物質中找到引起這種突變(從混亂變成自組織)的原因，是非常困難的，但ICAM的研究者正在黑暗中摸索。因為在上述的中間尺度上，物質是很難看到的，它們剛好處在可見光波之外，且又十分脆弱經不起X光的輻照探測。但他們已獲得了初步的成功，找到了大自然自組織的一個重要原理(它適用于生命和無生命物質)，他們稱之為“對峙”原理。

物質內部一旦發生了自組織，就會產生出突發(即難以預料的)的行為。研究者說，這種突發行為總是出現在相互競爭的系統中。通常這種競爭力同時表現為排斥和吸引，如此不停地爭斗下去，迫使物質團塊在不穩定的狀態中成長和成熟；然后，在恰當的條件下，這個物質團塊可能突然進入一種全新(未曾預料)的狀態。

超導現象的背后可能正是隱含著對峙原理。加州大學的臺未斯已找到了證據，即一種對峙的爭斗(雙方誰也壓不倒誰)，能導致該物體的電子在中間尺度的規模上，排列成某種模型。在此狀態下，電子的運動失去了阻力，就出現了超導性。

臺未斯等人對超導體做了長期的研究，他們在超導體氧化銅的薄片上，看到了一些3納米大小的團塊，其電子密度一度處在變化之中。就在那里，正進行著電力和磁力的拔河賽。正是這種(兩個力)對峙，促使電子排列成這種模型。其他的研究者也認同臺未斯的看法，認為“對峙”可能是大自然中一個普遍的自組織原理。

欲找到事情的本質，ICAM的研究者轉向了蛋白質，因為它是自組織之王。為了修補DNA或在身體中運送氧，組成一個蛋白質的幾百個氨基酸鏈，折疊成一種特殊的形態，這樣的形態似乎具有一種保護性能，就像超導體中的電子排列，它們使得超導性(因環境影響)不易破壞。而蛋白質的這種惟一形態，使得它產生獨有的作用，實際上也就是生命的最初始、最基本的功能。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的生物學家勞費得等人 (也是ICAM的成員)，發現了隱藏在蛋白質背后的“魔圖”，具體地說，這是一系列漏斗形。

每個氨基酸鏈都有一個對應于它的形態的能量特征圖，一個蛋白質的總能量，依賴于其原子的排列，且伴有吸引和排斥之力。若改變其排列形態，其所含能量也即發生變化。當科學家對這種能量特征圖做出數學上的描述時，他們看到了一個含有無數峰和谷的曲面。在這里，峰意味著較高的能量，它使氨基酸的排列被拉緊，這就迫使(氨基酸)鏈展開；谷則代表一種有利的排列，它降低鏈的總的拉緊力。

勞費得等人說，關鍵是全部蛋白質都具有這種漏斗形的能量形態，它們是“一個漏斗套著一個漏斗……如此下去”。無論鏈處在任何運動狀態，都能使它從一個谷進入下一個谷。由于有這樣的漏斗，蛋白質最終處于最低的、最穩定的位置。勞費得說：“大自然選擇了這樣的漏斗形能量特征，若沒有漏斗，鏈就不能合適地折疊起來。”ICAM的研究者說，可能要經過幾年的努力，才能明確漏斗形特征是否是大自然自組織的普遍圖譜。

盡管上述能量圖譜概念在理論上還需完善，但現在，它正進入到技術應用的領域。2002年5月，一些ICAM的研究者已跟某些制藥公司商談，以探索蛋白質折疊中的原理是否可用于制藥。制藥商希望應用此能量圖譜，設計出一些新藥，它能把藥物分子灌注到細胞內的管子(有病部分)上。這一機制將創造出僅跟病因蛋白質綁在一起的新藥，而使正常的蛋白質免受影響。

ICAM的另一應用研究將是超導體，也即利用對峙原理(電和磁)，來設計出一種新型導體，最終將能在室溫條件下工作。現在的(較低)溫度，對超導體的應用來說，受到了很大限制，因太冷(－200℃左右)了，若能提高100℃，那么許多技術都將進行革命性的改進，從運輸到醫藥攝影。

研究者認為，把奇怪的自組織粒子系統，收縮到中間的“生命尺度”是可行的。在那個區域，他們可能制造出奇異的新型機器，它的內部(即其零部件之間)處于所謂近摩擦狀態，具體地說，一個零件跟另一個之間有相互的作用(如兩個齒輪的耦合)，卻找不到二者間有任何接觸之處，而且，它們在實驗室中能進行自組裝。例如，可自組裝出微小的“機器細菌”，用于清潔管道，它能比真細菌更有效地降低污染。由于機器細菌對環境做出反應，也是按同樣的自組織原理，這樣，就不需要配以慣用的內部程序。

但拉哈林等科學家還不很清楚，若我們應用了自組織原理，是否能超過真的生物?一些研究者也懷疑，ICAM真能創造出“活”的東西?

生命出于物質的自組織，對此，也許沒有人反對，但生命的形態是否能以蛋白質為基礎呢?目前就地球生命而言，蛋白質是最基本的生命物質，似乎具有普遍性。但已有一些科學家提出了別的生命形態。例如懷特賽得認為，自組織原理對網絡也是同樣有效的，“它具有很大的復雜性，它是一種十分豐實的環境，會發生不可預測的事情。”不過他承認，他對自己的觀點還缺乏十分的把握，“我不知道，我是否能認出世界網絡中的生命，而它倒可能已認出了我。”