细菌为什么不能像鲸鱼一样游泳？ 蚂蚁为什么没有肺？ 大象为什么有大得多的骨头？ 新锐生物物理学家揭示了大自然令人惊叹的复杂性背后隐藏的统一性。 奔跑的猎豹的身体形状和身体功能与扎根的树木非常不同，人类与细菌或斑马也非常不同。我们生活的世界是一个五花八门的生物王国，但一套共同的物理原理塑造了其中每一种生物的形状和行为。《塑造生命的4大物理原理》表明，新兴的生物物理学正在改变人们对地球生命的理解，并使潜在的可以拯救生命但有争议的技术成为可能，如基因编辑、人造器官和生态系统工程。 帕塔萨拉蒂解释了4大物理原理是如何从微观分子尺度到巨型大象尺度塑造生命机器的，这4大物理原理分别是：自组装、调节回路、可预测的随机性和尺度推绎。他描述了生物物理学如何有助于解开一系列自然现象的秘密，比如：你的四肢如何知道在适当的位置长出？为什么人类需要肺而蚂蚁不需要？帕塔萨拉蒂还探索了未来的尖duan生物技术如何使我们能够以微妙和深刻的方式改变生物体。

引言 所有生命皆被4大物理原理塑造 生命是如何运作的？这个问题乍一看可能会令人有些不知所措，甚至会让人觉得荒谬。生命体存在的形式多种多样，既有疾驰的猎豹，又有静止的树木，还有体内存在数以万亿计细菌的独特的人体。对于这些生命体而言，这个问题怎么会存在普适的答案呢？即使是同一个生命体，其经历也千差万别：设想一下，一只小鸡从蛋中孵化出来，它**次拍打翅膀，它看到一只狐狸时心跳加速，以及它将吃掉的食物和喝下的水转变成鸡蛋。有什么知识框架可以包含这一切呢？ 我们试图寻找答案，从生命的多样性中寻找某种统一性。这一点在我们根据外表或行为的相似性对生物进行分类的古老冲动（本能）中有所体现。亚里士多德根据动物是产卵还是生育幼崽等特征对其进行分类。古印度文献记载了多种分类方法，其中包括按照起源方式进行划分的方法：“卵生，胎生，湿生，芽生。”现代分类学起源于 18 世纪卡尔·林奈（Carl Linnaeus）在其作品中提出的分类学说，他将生命体的命名方式系统化，并基于生命体的共同特征创造了一种等级分类体系。这种分类体系我们沿用至今。然而，分类本身并不能解答我们的疑惑。我们想知道使生物具有共同点的原因，而不仅仅局限于共同点是什么。 在本书中，我们通过物理学的视角来寻找原因，揭示生物学中令人惊讶的精妙之处和井然秩序。当然，这不是深刻洞察生命的**视角。我们还可以通过生物化学的视角来了解原子怎样结合在一起形成有机物的分子，能量如何存储到化学键中和从中释放，以及化学反应中物质和能量的不断流动如何构成生命体的新陈代谢。但是仅靠化学，我们很难将视野从分子尺度转换到我们身边的动植物尺度，甚至是单细胞尺度上来，也很难理解形状和形态的形成原因。 还有一个视角是进化论视角。自 19 世纪中叶达尔文和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）对进化有了深刻的理解以来，我们将生物的特征视为更深层次历史进程的体现。无论是解剖学上的可见特征还是 DNA序列中的隐藏模式，其相似之处都可以反映出生命体共同的起源，借此我们可以构建一个将所有生命体联系在一起的关系树。生物所处的环境为它们的生存提供了不可预测的机遇，同时也带来了压力，这一切导致了生命体之间存在着差异。因此，生物现在的形态反映了过去的历史。进化为理解生命提供了一个强大的框架。然而，进化不是本书关注的**。因为已经存在很多关于这个主题的大众读物，更重要的是，仅靠进化论并不能解释“为什么”，它更多的是在解释“怎么样”。 为了说明我所说的“为什么”是什么意思，我们可以用鳔来举例。它是多种（但不是所有）鱼类体内的一对充满气体的囊。将现存的和灭绝的生物进行比较可以揭示这个器官的进化历史，它与达尔文所说的呼吸空气的动物的肺的出现有关。然而，理解鳔的功能需要一些物理知识：封闭气体的低密度抵消了硬骨鱼骨骼的高密度，这些鱼类因此能够保持与水环境相等的平均密度，从而可以轻松地停留在任何它们喜欢的深度。鳔只是鱼类改变自身密度的一种途径。如果鱼的体内含有大量低密度的油，或者其骨骼由软骨而不是硬骨组成，那么也可以达到改变自身密度的效果。没有鳔的鲨鱼采用的就是这两种方案。软骨鱼和硬骨鱼的*后一个共同祖先生活在 4 亿多年前。从那时起，这两个群体通过不同的进化路径发展出了不同的方案，来应对水中运动这一共同的物理挑战。我们认为，理解这些与密度控制相关的解剖特征产生的原因，可以揭示出鱼类共有的隐藏统一性，这种统一性超越了它们的进化差异，这是贯穿本书的观点。然而，我们应该记住，正是变异和自然选择机制，也就是那些在水中行动自如的生物通过世代积累不断提高它们的生存概率的机制，使得生物体呈现出现在的形态。 除了生物化学和进化论，还有其他视角可以用来研究生命的广度。然而，与其把它们一一列出，不如**关注我们将要探索的方法。 正如我所提到的，本书的其余部分都是以生物物理学的视角来探讨的自然观。生物物理学意味着生物学和物理学的融合。它提出了一种概念，即构成生命的物质、形状和行为是受普遍物理定律支配和约束的，我们通过阐明物理规则和生物表现之间的联系，能够揭示一个丰富多彩的生命框架。物理学之所以具有实用性，正是因为其具有普遍性，这也是物理学的魅力所在。引力原理既适用于从树上掉下来的苹果，也适用于围绕太阳运行的行星。我们目前的工作目标就是要将生物物理学的范围进一步扩大，以涵盖量子世界的奇异行为。生物物理学将物理学对统一性的核心追求延伸到了生物世界。 这么说来，生物遵守物理定律看起来是理所当然的。毕竟生物体也是由构成其他一切物质的基本粒子组成的，因此理应遵循相同的规则。人们可能会认为，粒子在物理力的作用下形成原子和分子之后，物理学的明确作用就结束了，复杂的化学作用将进一步影响分子的重新排列，而细胞和生物体的特殊偏好则负责塑造更大尺度的特征。然而，这是不正确的。物理力既可以塑造冬季窗户上复杂的霜花分支纹理，也可以支配广阔沙漠上的有规律的沙丘外形，物理力的作用过程不需要从亚原子粒子层面进行解释。物理机制在所有的尺度上塑造了生命。物理学的伟大成就之一，是让我们理解了各种自然现象中产生的普遍规律，帮助人类扫清复杂的障碍以揭示深层的原理。这一点在过去的半个世纪尤其明显。例如，将磁铁加热到临界温度以上，它就会消磁。尽管磁铁是由许多不同的元素和合金制成的，每种元素和合金都有自己独特的原子结构，但每块磁铁的磁场在接近其临界温度时都会以完全相同的形式衰减。事实证明，无论原子的具体结构如何，由原子间相互作用形成的三维排列足以决定它们之间相互作用的结果。再举一个例子，假设在一个容器中装入各种不同的坚果，然后摇晃它。我们会发现，通常较大的坚果会集中到顶部，这就是众所周知的“巴西坚果效应”。当然，这种现象并不是坚果所特有的，它普遍发生在谷物、河床上的岩石，以及任何搅动着的、无序的物体的混合物中。要想解释这种现象，需要用到“颗粒流”这一概念，也要考虑到碰撞粒子集合为了移动所采取的创建和填充间隙的方式。 生物物理学是试图将广泛适用的物理规则应用于生物世界的一门学科。这一努力虽然尚未实现，但目前取得的进展已经比我们几十年前预想的要好很多。利用物理学，我们可以了解 DNA 从病毒细胞中裂解的机制、思维速度的基本限制，以及人类脊椎骨的规则间距。运用这些知识，我们得以在塑料板上培养器官，并使用光脉冲读取基因组，也得以揭示隐藏在生命世界中的简洁性和优雅性。说它简洁是因为很多现象只要通过少量原则而不是一堆细节就可以得到解释；说它优雅是因为有生命世界和无生命世界共同具有以上统一性。这是一种不同寻常的观点。希望接下来的内容能让你信服。 然而，人类每一次在复杂性中寻求统一性都可能因傲慢陷入陷阱。我们很容易忽视多样性提供的经验教训，或者将杂乱无章的数据强加到不合理的简单框架中。站在物理学的视角看待问题时尤其容易出现这样的错误，这可能是因为其理论上的优雅，也可能是因为其历史上的成功。有些人认为物理学家就像大象一样，总是堂而皇之地践踏相邻的研究领域而不懂得欣赏脚下的宝藏。身为一个物理学家，我不得不承认这一描述并非毫无道理。虽然这本书是对生物物理学的颂扬，但我也会描述它的一些纰缪。第 12 章就特别探讨了生物物理学方法可能并不适用于处理有争议的新陈代谢问题。 那些控制生物体的物理原理 控制生物体的物理原理究竟是什么呢？我们可以参考那些能够用**的数学公式描述的定律，如与基本力学、热力学、概率论等相关的定律。这些定律虽然严谨，但相当枯燥，而且会掩盖生物物理学家从自然中获得的重要教训。因此，我在本书中将把注意力集中在生物物理探索中经常遇到的 4 大物理原理上。 **个经常遇到的物理原理是自组装（self-assembly），即分子、细胞或组织等生物组件的构建指令被编码在组件本身的物理特性之中。生物体具有塑造自身的指令，这看起来是件显而易见的事。毕竟，我们不需要把一棵树雕刻成树的形状，也不需要给海星贴上 5 只手臂，这些生物体可以自己组织形态。然而，它们并不需要像计算机一样将内部指令写入一组组件，形成一个任务列表，并由另一组组件执行。生物组件的物理特性往往承担了指令的功能。尺寸、形状等特征和像电荷等不太直观的属性都可以引导生物组件排列成一个更大的整体，整个过程也会遵循相关的物理定律。 我将举例进行说明。如果你曾经吹过肥皂泡并看着它们聚合在一起，就会发现，在相邻的会合点上不会存在超过 3 个气泡。4 个相邻的气泡的组合形式看起来可能像图 0-1a 那样，内侧边界像弯曲的字母 H，但绝不可能像图0-1b 那样呈 X 形。物理力使肥皂泡拥有*小的表面积。这种气泡排列规则自19 世纪被比利时物理学家约瑟夫·普拉托（Joseph Plateau）揭示以来就广受赞誉。这种规则不允许 4 个气泡以任何形式连接，因为那样将永远无法获得*小的表面积。气泡的排列不是随意的，但也不需要外部力量来引导它们进入固定的模式；它们的组织规则已经融入它们的物理特性中。 一个多世纪以来，科学家已经注意到很多组织中相邻细胞的排列方式与肥皂泡类似，并对这是一种巧合还是反映了类似的潜在机制进行了研究。例如，在 2004 年，日本东京大学的林贵史（Takashi Hayashi）和美国西北大学的理查德·卡休（Richard Carthew）研究了位于果蝇复眼中的感光细胞簇。通常来说，感光细胞有 4 个，其排列方式与 4 个相邻肥皂泡的排列方式完全相同（见图 0-2）。通过观察产生了 1、2、3、5 和 6 个感光细胞的突变果蝇，他们发现，这些细胞的排列方式与 1、2、3、5 和 6 个相邻肥皂泡的排列方式相同。果蝇似乎依赖表面积*小化这种通用的物理机制来组织视网膜的关键细胞。果蝇并没有煞费苦心地排列细胞，而是将细胞制造出来后，让它们自己组装，使表面积*小化，并自行形成相应的接触面模式。这些细胞会像肥皂泡一样自组装。类似的情况数不胜数。我们发现，结构特征并没有明确绘制在很多生物体的“蓝图”中。大自然只是将原材料放在同一个地方，并相信物理定律会将它们正确地组合在一起。值得庆幸的是，物理定律是可靠的“装配工”。 第二个经常遇到的物理原理是调节回路（regulatory circuit）。因计算机的普及，我们了解到机器可以通过逻辑规则将输入转换为输出，并基于传感器或控制器的信号做出决策。我们也自信地认为，包括人类在内的生物体也会根据环境中的刺激做出行为选择，虽然计算的细节更加神秘。我们将在后文中看到，决策回路不仅是宏观世界的一个特征，还表现在生物体分子的微观活动中，并嵌入生物体分子的结构和相互作用模式中。一系列湿润、柔软的生物组件组装成可以感知环境、执行计算并做出合乎逻辑的决策的机器。 例如，发育中的胚胎里的细胞在迁移过程中必须在到达合适的目的地时才停止游荡，这一决策部分取决于对邻近组织的机械刚度的评估。细胞黏附利用了从其表面突出的蛋白质，细胞通过这些蛋白质与周围环境“博弈”。一些黏附性蛋白质既可以作为传感器也可以作为锚点，这两个角色密不可分：处于坚硬的环境中时，蛋白质分子会被拉伸，就像从几米外拉一根粗大的树枝的人的胳膊是伸直的；处于柔软的环境中时，蛋白质是弯曲的，就像拉晾衣绳上的毛巾时胳膊常常是弯曲的，因为很容易将毛巾拉向你这边。细胞含有其他可以结合位点的成分，只有当黏附蛋白的位点暴露时，这些成分才能与之结合。而只有当分子被拉伸时才会发生这种情况。想象一下，只有当你拉树枝而不是毛巾时，你的手肘内侧才会伸展开，也才能因此被触及。这种结合触发了*终使细胞决定停止游荡的事件。因此，蛋白质的物理构造为一个在细胞层面感知、计算和决策的机器提供了基础。 第三个经常遇到的物理原理是可预测的随机性（predictable randomness）。生命机器背后的物理过程基本上是随机的，但矛盾的是，它们的大致结果是可以被准确预测的。在非生命世界中，随机性是各种活动的核心，如洗牌和气体分子的碰撞。物理学长期致力于解释稳健的特征是如何从潜在的混乱中产生的这一问题。例如，我们知道为什么内部活动剧烈的恒星仍能发出稳定的、一致的彩色光，以及如何从汽油的剧烈燃烧中提取能量。微观世界受到持续、剧烈的基础随机运动的影响，DNA 和其他细胞成分必须处理甚至利用这种随机运动。我们可以推断随机过程的可能结果，这在许多情况下为表面上看起来很复杂的现象提供了简单的解释。例如，当病毒接触它能够感染的细胞时，它根本不需要考虑（即使它能够思考）如何找到可以与之结合的特定表面蛋白。它被一股随机力量四处拖拽，以确保其通过这种混乱的轨迹可以与目标相交。你的免疫系统也利用随机性产生了种类繁多的受体蛋白，这些受体蛋白可能会通过偶然的方式来识别从未遇到过的入侵者。我们将用第 6 章的全部篇幅来探究微观运动的随机性，这与对基因和性状的探究相呼应，其中随机性也融入了生命的运作方式。 第四个经常遇到的物理原理是尺度推绎（scaling），即物理力取决于物体的大小和形状，从而决定了生命体生存、发育和进化的形式。对于人造结构来说，尺寸、形状与物理特性息息相关，这是显而易见的。例如，建造大型建筑物是一项十分困难的工作。在钢架和其他现代发明出现之前，建造很高或者很庞大的建筑时，这些建筑很容易倒塌，因为建筑结构的重量超过了墙壁可以支撑的重量。简单地放大一座小型建筑，想要保持其比例不变是行不通的。用我们将在第 10 章详细阐述的现代语言来说就是，重力和其他力将以不同的方式随大小而变化，这是我们在设计建筑物时必须考虑的问题。尺度推绎概念同样可以反映在动物的大小和形状上，而不仅仅局限于力学问题。尺度推绎阐明了生命形式的各个方面，从肺的存在到（可能的）新陈代谢率等。 接下来的章节将会阐明，这 4 个物理原理不是孤立存在的，它们相互作用甚至相互依赖。生物回路的精度通常取决于随机运动的统计数据。随机运动推动生物组件的定位，以促进它们进行自组装。自组装形成的更大规模的结构遵循尺度推绎定律。所有这些过程和原则共同构成了生物物理学解释生命的框架。

**序 生物物理学：一沙一世界 叶 盛 生物学家，科普作家 北京航空航天大学医学科学与工程学院教授 引言 所有生命皆被4大物理原理塑造 **部分：生命的主要成分：从 DNA 到细胞膜 第 1 章 DNA：构建生命体的代码和绳索 015 第 2 章 蛋白质：分子如何自组装 031 第 3 章 基因：DNA 与蛋白质的结合 047 第 4 章 基因的编排艺术：从简单的基因到复杂的生命体 第 5 章 细胞膜：液态的皮肤 第 6 章 可预测的随机性：所有生命过程的独特背景 第二部分 更大尺度下的生命：从细胞到生物体 第7章 组装胚胎：从受精卵到生命体 第8章 设计出的器官：物理特性如何引导细胞群的发育 第9章 体内的生态环境：人体细胞与“反客为主”的微生物 第10章 感受尺度：尺度推绎的魔力 第11章 在表面的生命：与呼吸相关的尺度推绎 第12章 尺寸和形状的秘密：尺度推绎的局限性 第三部分 设计生物体：从读取DNA到编辑DNA 第13章 我们如何读取 DNA 第14章 基因重组：基因组可能和实际的物理重排 第15章 我们如何编写 DNA：21 世纪的革命性技术 CRISPR 第16章 设计生命，设计未来 致 谢 译者后记 生命如此纷繁多样