尼克塔·法赫里 (Nikta Fakhri) 以物理学家的眼光看待生物学世界。
Quanta 杂志的凯瑟琳·泰勒 (Katherine Taylor)
介绍
在麻省理工学院阳光明媚的实验室里，两只海星为争夺猎物而大打出手。重叠的手臂将一大块正在解冻的鸡尾酒虾固定在水箱的一侧。当每只棘皮动物都在努力将战利品慢慢吸向自己的胃时，数以千计的吸盘在玻璃上疯狂地荡漾。
物理学家Nikta Fakhri笑着看着。没有多少物理学家在他们的实验室里饲养海洋生物，但 Fakhri 已经学会了像海洋生物学家一样照顾海星。现在她正在扩大她的动物园；近日，记者走访时，几只水缸正等待着即将到来的海胆。
法赫里转向棘皮动物，希望能回答一个古老的问题：什么是生命？或者，用一种现代的表述：蛋白质和细胞的微观操作如何加起来导致饥饿的海星之间发生冲突？
为了了解生物齿轮的转动如何产生难以言喻的复杂生活，Fakhri 发现转向物理学是很自然的事情——一个擅长将微观和宏观现象联系起来的领域。物理学家已经了解到，温度来自分子的运动，磁性来自原子的方向，超导性来自电子的配对。也许生命也可以被优雅地描述为一种在适当的情况下会出现的财产。
但是在什么情况下呢？
通过仔细检查海星胚胎，Fakhri 在使用物理学概念解释这些情况方面取得了长足进步。她指出，与其他物质状态一样，生命“打破了对称性”——例如，胚胎的生长将其过去与未来区分开来。 Fakhri 扩展了对称性破缺的语言来描述蛋白质和其他微小的生物成分如何共同促成运动、繁殖和其他生命特征。一路上，她观察到了一种奇怪的新物质状态，这种物质状态可能有助于生命影响其周围环境。
Fakhri 在伊朗德黑兰长大。尽管女性所处的环境很压抑，但她的父母支持她接受教育，她最终也考上了国外的一流大学。去年，美国物理学会授予她软物质研究早期职业奖，以表彰她“开创性和鼓舞人心的发展”。 Quanta最近在她位于麻省理工学院校园的实验室中与 Fakhri 的对话经过了浓缩和编辑，以确保内容清晰。
生物学有什么问题，物理学如何提供帮助？
生物学是一个真正由其分子定义的领域。它在识别生命的组成部分和微观机制方面非常成功。当然，了解细节很重要，但在了解蛋白质如何消耗能量与了解如何将所有这些部分组合在一起形成逼真的行为之间仍然存在很大差距。
物理学有不同的看法。我们想要使用一种通用语言来理解从非常小到非常大的各种尺度解释事物的原理。例如，我们曾经认为热是一种流体。但是通过热力学，我们能够将温度解释为分子的运动。
就生命而言，我们想知道：你如何从单粒子水平的能量耗散一直到一群鸟？
Fakhri 选择海星胚胎作为她的模式生物，因为它们以多种方式破坏对称性。她最近也开始研究海胆。
考虑到鸟类比分子复杂得多，这似乎是一个崇高的目标。像定义温度这样简单的想法真的可以有效地应用于生物体吗？
生活无疑比我们在物理学中所习惯的要复杂，但我认为这是一个令人兴奋的挑战。过去，物理学表明，这种试图将一个单位理解为大于其各部分之和的方法是许多复杂现象的核心。我乐观地认为，物理规则可能会让我们了解世界上最复杂的事物。
为生命建立物理框架的主要挑战是什么？
在物理学中，我们需要一个处于平衡状态的系统来定义几乎任何事物。平衡使我们仅通过知道盒子中的分子数量就可以了解气体的压力，而无需担心它们是什么类型的分子或盒子是由什么制成的。这是一项令人难以置信的成就，我们常常认为这是理所当然的。但生活并不平衡。有句名言说，当一个生命系统达到平衡时，它就死了。在生活中，不同类型的稳定性之间不断变化——比如你如何从清醒到睡眠再回到清醒状态。我们需要找到理解生命系统如何从一种稳定状态转变为另一种稳定状态的方法。
这种核算也可以丰富物理学。物理学已经非常成功，但它并没有真正具备处理生命系统非平衡性质的能力。
什么样的框架能够应对生活的不断变化？
理解从系统的一种状态到另一种状态的转变的关键是对称破缺。典型的例子是金属被磁化。最初，粒子指向各个方向——金属具有“旋转对称性”，因为从粒子的角度来看，每个方向看起来都一样。然后你打开一个磁场，突然间所有的粒子都指向一个特殊的方向，打破了对称性。
然后，您可以定义所谓的顺序参数，这是从一个粒子到描述多个粒子的一种重要方式。在磁铁中，有序参数是每个点处的箭头，告诉您附近的一堆粒子平均指向哪个方向。 order 参数可以让您了解什么是对称性破缺以及转换过程中会发生什么。但是找到正确的顺序参数是一门艺术。
这是我们试图用我们的模型系统海星卵细胞做的事情的重要组成部分。我们描述了它们在顺序参数和对称性破缺方面的变化方式。
虽然它们的胚胎开始是圆形的，但海星打破了这种旋转对称性并最终形成了五点五角对称性（顶部）。海星的下面隐藏着数以千计的吸盘和一个中央嘴巴。
Quanta 杂志的凯瑟琳·泰勒 (Katherine Taylor)
虽然它们的胚胎开始是圆形的，但海星打破了旋转对称并最终形成了五点五角对称（左）。海星的下面隐藏着数以千计的吸盘和一个中央嘴巴。
Quanta 杂志的凯瑟琳·泰勒 (Katherine Taylor)
介绍
为什么是海星卵细胞？
物理方法需要具有丰富行为和不同尺度自组织的模型系统。当我加入麻省理工学院时，生物系的一个小组正在考虑将海星作为模型系统。在我们交谈时，我越来越清楚它拥有我们需要的一切。
现在我更加确信了。今年夏天，我在伍兹霍尔的海洋生物实验室呆了一段时间。海星是棘皮动物，我们和海胆、沙钱等其他棘皮动物一起玩。我只是被海洋生物的美丽所震撼，所有棘皮动物如何从这个圆形、对称的卵细胞变成五角体的不对称。正是生命的这个微小分支有如此多的对称性破缺需要研究。
那么对称破缺如何定义生命呢？
最重要的破缺对称是时间。
我总是以胚胎发育的视频开始我的演讲，但我会倒着播放。当我把它拿给生物学家看时，他们马上就会说，“这不对。细胞永远不会融合。”
然而，放大来看，时间之箭并不那么锋利。作为博士后研究员，我研究了人体细胞内碳纳米管的运动。肉眼看来，它们的抖动看起来是随机的，无论你向前或向后播放视频都是一样的。但是当我们详细测量纳米管的抖动时，波动似乎比你预期在室温下平衡时看到的要高得多。它们移动起来，就好像细胞的温度达到了 1000 度。这些额外的波动是从哪里来的？它们必须与这样一个事实有关，即与处于平衡状态的磁铁不同，细胞不断消耗能量并利用它来生存，以建立时间之箭。
这项工作为这些惊人的非平衡系统打开了我的整个世界，我更深入地研究了生物物理学。
Fakhri 使用物理学的想法，例如磁性从原子中出现的方式，来理解生命是如何从蛋白质等分子中出现的。
Quanta 杂志的凯瑟琳·泰勒 (Katherine Taylor)
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所以平衡系统以随机方式波动，平均而言，不会产生有意义的变化。但是像生物这样的非平衡系统可以以更有组织的模式波动——即使在微观层面上，这种组织的种子也必须存在，即使那里的一切看起来都是随机的。你能发现那些协调的种子吗？
在另一个项目中，我研究了肾细胞周围纤毛的振动。纤毛是细胞用来游泳或感知环境的细小毛发，它们也以一种看起来随机的方式振动。但我们发现，如果将它们的振动分解为几个基本动作，我们就可以识别出每个纤毛如何混合基本动作的重复模式——一个循环。
这种循环是一个明显的迹象，表明你的系统没有处于平衡状态，它有一个时间箭头。后来我们学会了如何使用循环的方向和大小来计算细胞失去平衡的程度。
您还可以使用对称破缺来了解海星胚胎的生长方式。
卵细胞在发育成胚胎的过程中会一遍又一遍地分裂，每次分裂都是时间和空间对称性破缺的壮观例子。微小的蛋白质以某种方式告诉巨细胞何时何地开始分裂。对于蛋白质来说，任何地点和任何时刻都和另一个一样好。那么它们是如何打破对称性从而使细胞此时此刻分裂的呢？
好吧，他们怎么样？
有一种关键的信号蛋白，称为 Rho-GTP，它告诉细胞的“肌肉”收缩并传递导致细胞分裂的力。当我们追踪这些蛋白质中有多少在细胞分裂过程中被激活时，我们发现它们的活性水平以这些涟漪的形式扩散到整个细胞表面。问题是：我们如何表征这些涟漪？他们的订单参数是什么？
在海星细胞分裂之前，一种关键的蛋白质会在波浪中激活，波浪穿过细胞。这些涟漪可以用表现得像带电粒子的奇异点来描述。
由 Nikta Fakhri 提供
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我们发现，如果我们录制涟漪的电影并放大一个像素，它的亮度会像波浪一样起伏。相邻的像素也是如此，但它的波与第一个像素有点不一致。经过一些尝试和错误后，我们选择使用这两个波的失调程度作为我们的顺序参数。
这就是它变得有趣的地方。我们发现有些地方波浪刚刚停止。现在，我喜欢这个。这些点的行为与带电粒子完全一样，物理学家对此有很多经验。就好像它们的电荷是正负 1 取决于它们是顺时针还是逆时针旋转。有时会产生带相反电荷的对，有时它们会相互湮灭。现在我们有了整套语言来解释这个系统如何在空间和时间上自组织。我们相信这些粒子是力量产生的组织中心。它们控制着告诉细胞何时何地分裂的波的特性。
您已经使用物理学来了解细胞中正在发生的事情。你已经进入多细胞生物的水平了吗？
如果你让细胞继续分裂，你基本上就会得到这个时间箭头。最终你有数以百万计的细胞形成一个海星胚胎。胚胎有纤毛，在某个时候纤毛开始同步跳动，胚胎开始四处游动。它以旋转的螺旋运动方式游动，可以吸引其他旋转的胚胎。
海星胚胎以相互吸引的方式旋转。胚胎聚集在一起形成筏——法赫里称它们为“活的手性晶体”——在最终分裂之前旋转数小时。
由 Nikta Fakhri 提供
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一天早上，我们来到实验室，我的学生们注意到水面上有一堆胚胎聚集在一起。而这些星团——我们后来称之为“活水晶”——也在旋转，打破了顺时针和逆时针方向之间的对称性。这个系统有这么多类型的对称破缺！
你能从这些活水晶中学到什么？
当您将相机向下对准晶体并以相同的速度旋转它以致于看不到旋转时，您会看到整个晶体似乎在轻轻摇晃，并伴有缓慢的波纹。
在我们研究这个的同时，芝加哥的 Vincenzo Vitelli 小组正在研究一个理论，基本上你有两个粒子，内部电池相互旋转。这些粒子实际上可以违背牛顿第三运动定律：没有相等的作用和反作用力。第一个粒子对第二个粒子的影响不同于第二个粒子对第一个粒子的影响。
成团的海星胚胎会摇晃数小时，证明它们不平衡的相互作用使它们成为一种“奇怪”的材料。 Fakhri 推测胚胎利用这种奇特的特性来温暖或冷却自己。
由 Nikta Fakhri 提供
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如果我有一种由这些旋转粒子制成的材料，称为“奇数”材料，当我推动它时，粒子之间的不平衡相互作用会使材料旋转。这就像你有一个陀螺，当你按下它时它开始旋转。芝加哥小组预测，在某些条件下，这些旋转可能会同步产生持续的振荡。
这种对生命系统中奇异材料的研究都是理论上的，直到我们证明了我们的海星胚胎晶体以类似的方式燃烧能量来旋转，你真的可以获得这些持续的振荡。
海星胚胎是否利用这种奇怪的特性来做任何有用的事情？
或许！海星在温度变化很大的潮汐池中产卵。所以一个想法是，胚胎就像一群鸟一样聚集在一起，并通过引导能量流动，利用它们的集体行为来加热或冷却它们的环境。
这个发现有什么意义呢？
我们用生物粒子建造了一个晶体，并得到了一些以前从未见过的东西，这引发了一系列新问题。
例如，我们一直认为细胞具有某些活动的平衡特性。但是，如果这个系统首先也是最重要的是由它的非平衡活动来定义的，就像这些奇怪的材料一样呢？细胞正在利用这种奇怪的现象，也许是为了让自己保持凉爽。如果其他生命系统也利用奇数等特性来实现基本功能怎么办？如果您需要这个框架来理解肌肉的工作原理怎么办？
另一个问题是：一旦我们更好地了解生物材料的工作原理，我们可以建造哪些材料？现在，我们受到我们所知道的物理定律的约束。但也许这种研究可以让我们在材料的功能方面有很大的飞跃。
下一个重大步骤将是我们是否可以在我们学会测量的数量与生物功能之间建立联系。生命系统的一个决定性特征是它们有一个目的。在接下来的几年里，我的梦想是将特定功能（比如特定类型的细胞流动性）与我们可以测量的数字（如能量耗散）联系起来。找到这种联系是一个更大的目标。
原文： https://www.quantamagazine.org/starfish-whisperer-develops-a-physical-language-of-life-20230111/