向日葵隐藏着什么秘密？红血球为何不是球形？院士讲述神奇的生命物理之美

御希琳

解放日报上观新闻报道：向日葵的葵花籽呈螺旋状排列，其中竟蕴含着数列？红血球为什么是双凹碟形而不是肥皂泡球形状？12 月 19 日下午，中国科学院院士、理论物理学家欧阳钟灿，中国科学院院士、物理学家汤超，做客 " 墨子沙龙 "，讲述 " 神奇的生命物理之美 "。
【新生物学将从观察性、定性向可预测性、定量转变】
谁是最伟大的发明家？爱迪生还是特斯拉？在汤超看来，大自然是最伟大最奇妙的创造者，个中蕴含着许多科学原理，他以《跟着物理学家探索生命的奥秘》为题，带领观众进行了一次探索。


汤超
如果把一些能飞的东西找来，小到蜻蜓，大到波音飞机，以质量为横轴，以飞行速度为纵轴，画出一个坐标。人们发现，不管是大自然中会飞的动物，还是人工设计的飞行器，都满足流体力学定律，即升力和翅膀面积成正比，和飞行的速度平方成正比，重量和体积成正比等。
植物有很多漂亮的形状，向日葵、松果和菠萝都呈螺旋状排列，有的是正旋，有的是反旋。而这个正旋和反旋的数字比例，竟然暗合了斐波那契数列，即是这个序列的相邻两个数，5、8、13、21、34 等。300 年前，意大利数学家斐波那契造出了一个序列，第一个是 1，第二个是 1，后边是前边两个的和，1+1=2，1+2=3，3+5=8，5+8=13 ……
细胞中的内质网结构，蕴含着微分几何的概念，并与现实生活中的螺旋停车场有异曲同工之妙。以前，大家都不知道它的结构具体长什么样子，直到 2013 年生物学家和物理学家合作，用电子显微镜把这个结构解出来了——看上去就像一个螺旋停车场。而这个内质网的功能与停车场的功能几乎一模一样，要停尽量多的核糖体，把蛋白质折叠在里边，还要在三维空间中尽量节省空间。有意思的是，数学家在几百年前就想象出了这个东西，叫 " 螺旋面 "，是微分几何的前身。
植物界也有 " 枪炮 "？汤超给现场观众播放了一段视频，这是一种真菌（克莱因水玉霉），尽管它只有一个毫米这么大，却可以用火箭原理将孢子射到 2.5 米开外，发射速度为 2 到 25 米 / 秒，加速度堪比手枪。
当一群鸟遭遇天敌时，它们会以整体运动方式逃离，而这个逃逸轨迹同样蕴含了统计物理。" 这个整体运动有很特别的性质，叫作临界性，面临外界的威胁时，转变队形非常快。"
生命是可以被计算和描述的吗？第一次生命科学革命以 1953 年沃森和克里克发现 DNA 双螺旋结构为标志，没有 X 射线他们也无法发现。第二次生命科学革命始于上世纪末九十年代的基因组学，也就是现在说的测序，而基因组学是数学、计算机科学与生命科学的交叉。
美国科学院在 2009 年出过一部纲领性文件《二十一世纪的新生物学》。新生物学和原生物学有什么不一样呢？" 它可以对生物系统有更深的了解。" 汤超认为，新生物学将对社会产生深远影响，从观察性、定性向可预测性、定量转变，是生物学与定量科学、工程的交叉融合。
【如何用物理公式描述红血球的形状】
200 多年前，由于显微镜的发明，人们发现作为人体中唯一没有细胞核的细胞，红血球呈现出奇异的双凹蝶形。它的表面积比圆球大，氧气容易进入细胞与血红蛋白结合，但如何保持这个形状，是科学家们一直想要解开的生命之谜。欧阳钟灿为现场观众带来了《揭开红血球双凹碟形之谜》的演讲。


欧阳钟灿
红血球具有黄金分割之美的双凹碟状，为什么它不是肥皂泡球形状呢？德国科学家赫尔弗雷奇于 1971 年发明液晶显示之后，突然认识到细胞膜就是柔性液晶膜，1973 年提出液晶生物膜理论，并在 40 年之后获得世界公认。
但如何用物理公式描述红血球的形状？作为赫尔弗雷奇的洪堡学者，欧阳钟灿在赫尔弗雷奇的研究基础上，创新提出了一个公式：钟灿—赫尔弗雷奇方程，首次预言了脂双层膜的环形形状，并指出它的两个生成圆的半径必须满足 r/R=1/2 或 0，解释了红细胞在毛细血管中得以自由穿行的原因，并被全世界多家实验室观测证实。
欧阳钟灿与合作者还把赫尔弗雷奇理论推广到碳纳米管以及病毒二十面体形状的研究。2012 年，赫尔弗雷奇以液晶生物膜理论获得了国际赛克勒生物物理奖，欧阳钟灿则被邀在颁奖大会作报告全面介绍液晶生物膜理论。2015 年，欧阳钟灿当选为日本应用物理学会国际会士，这也是中国大陆学者首次获此殊荣。
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墨子沙龙是由知名物理学家潘建伟院士倡导主办的公益性大型科普论坛，已邀约百余名前沿科学领域的国内外优秀科学家。
栏目主编：黄海华 本文作者：黄海华 文字编辑：黄海华 题图来源：视觉中国 图片编辑：邵竞
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