塑造生命的4大物理原理（簡體書）

細菌為什麼不能像鯨魚一樣遊泳？

螞蟻為什麼沒有肺？

大象為什麼有大得多的骨頭？

新銳生物物理學家揭示了大自然令人驚嘆的複雜性背後隱藏的統一性。

奔跑的獵豹的身體形狀和身體功能與扎根的樹木非常不同，人類與細菌或斑馬也非常不同。我們生活的世界是一個五花八門的生物王國，但一套共同的物理原理塑造了其中每一種生物的形狀和行為。《塑造生命的4大物理原理》表明，新興的生物物理學正在改變人們對地球生命的理解，並使潛在的可以拯救生命但有爭議的技術成為可能，如基因編輯、人造器官和生態系統工程。

帕塔薩拉蒂解釋了4大物理原理是如何從微觀分子尺度到巨型大象尺度塑造生命機器的，這4大物理原理分別是：自組裝、調節回路、可預測的隨機性和尺度推繹。他描述了生物物理學如何有助於解開一系列自然現象的秘密，比如：你的四肢如何知道在適當的位置長出？為什麼人類需要肺而螞蟻不需要？帕塔薩拉蒂還探索了未來的尖duan生物技術如何使我們能夠以微妙和深刻的方式改變生物體。

拉古維爾·帕塔薩拉蒂

生物物理學領域新銳科學家。現為俄勒岡大學物理學教授，主要研究方向是生物物理學、微生物群落、宿主-微生物相互作用和先進顯微技術。

2020年，他因在生物物理學，特別是在對腸道微生物群和脂雙層的理解方面的創造性和創新性貢獻，被選為美國物理學會會員。

[譯者簡介]

範克龍

• 貝時璋青年生物物理學家獎、中源協和生命醫學創新突破獎、國jia級青年人才項目獲得者；現為中國科學院生物物理研究所研究員、博士生導師；主要研究方向是疾病靶向藥物載體的開發、納米酶的仿生設計及其生物醫學應用等。

“主宰生活的科學之道”系列。

創造性地用4個物理原理揭示了複雜生命背後的統一性。從底層原理出發，破解生命密碼，預測生命科學的發展趨勢。

生物物理學領域最好讀的科普讀物之一。生物物理學領域已誕生46位諾貝爾獎得主，是當前最具前景的研究領域之一，被認為有可能掀起下一次科學革命。

生物學家葉盛作序推薦，西湖大學研究員、博士生導師邊文杰，《從光子到神經元》作者菲利普納爾遜，《納米與生命》作者索尼婭·孔特拉，《分子開關》作者羅伯·菲利普斯，《書簽》雜志、《選擇》雜志聯袂推薦！

湛廬文化出品。

推薦序 生物物理學：一沙一世界

葉 盛

生物學家，科普作家

北京航空航天大學醫學科學與工程學院教授

引言 所有生命皆被4大物理原理塑造

第一部分：生命的主要成分：從 DNA 到細胞膜

第 1 章 DNA：構建生命體的代碼和繩索015

第 2 章蛋白質：分子如何自組裝031

第 3 章基因：DNA 與蛋白質的結合047

第 4 章 基因的編排藝術：從簡單的基因到複雜的生命體

第 5 章 細胞膜：液態的皮膚

第 6 章 可預測的隨機性：所有生命過程的獨特背景

第二部分 更大尺度下的生命：從細胞到生物體

第7章 組裝胚胎：從受精卵到生命體

第8章 設計出的器官：物理特性如何引導細胞群的發育

第9章 體內的生態環境：人體細胞與“反客為主”的微生物

第10章 感受尺度：尺度推繹的魔力

第11章 在表面的生命：與呼吸相關的尺度推繹

第12章 尺寸和形狀的秘密：尺度推繹的局限性

第三部分 設計生物體：從讀取DNA到編輯DNA

第13章 我們如何讀取 DNA

第14章 基因重組：基因組可能和實際的物理重排

第15章 我們如何編寫 DNA：21 世紀的革命性技術 CRISPR

第16章 設計生命，設計未來

致 謝

譯者後記 生命如此紛繁多樣

引言 所有生命皆被4大物理原理塑造

生命是如何運作的？這個問題乍一看可能會令人有些不知所措，甚至會讓人覺得荒謬。生命體存在的形式多種多樣，既有疾馳的獵豹，又有靜止的樹木，還有體內存在數以萬億計細菌的獨特的人體。對於這些生命體而言，這個問題怎麼會存在普適的答案呢？即使是同一個生命體，其經歷也千差萬別：設想一下，一只小雞從蛋中孵化出來，它第一次拍打翅膀，它看到一只狐貍時心跳加速，以及它將吃掉的食物和喝下的水轉變成雞蛋。有什麼知識框架可以包含這一切呢？

我們試圖尋找答案，從生命的多樣性中尋找某種統一性。這一點在我們根據外表或行為的相似性對生物進行分類的古老衝動（本能）中有所體現。亞裡士多德根據動物是產卵還是生育幼崽等特徵對其進行分類。古印度文獻記載了多種分類方法，其中包括按照起源方式進行劃分的方法：“卵生，胎生，濕生，芽生。”現代分類學起源於 18 世紀卡爾·林奈（Carl Linnaeus）在其作品中提出的分類學說，他將生命體的命名方式系統化，並基於生命體的共同特徵創造了一種等級分類體系。這種分類體系我們沿用至今。然而，分類本身並不能解答我們的疑惑。我們想知道使生物具有共同點的原因，而不僅僅局限於共同點是什麼。

在本書中，我們通過物理學的視角來尋找原因，揭示生物學中令人驚訝的精妙之處和井然秩序。當然，這不是深刻洞察生命的唯一視角。我們還可以通過生物化學的視角來了解原子怎樣結合在一起形成有機物的分子，能量如何存儲到化學鍵中和從中釋放，以及化學反應中物質和能量的不斷流動如何構成生命體的新陳代謝。但是僅靠化學，我們很難將視野從分子尺度轉換到我們身邊的動植物尺度，甚至是單細胞尺度上來，也很難理解形狀和形態的形成原因。

還有一個視角是進化論視角。自 19 世紀中葉達爾文和阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace）對進化有了深刻的理解以來，我們將生物的特徵視為更深層次歷史進程的體現。無論是解剖學上的可見特徵還是 DNA序列中的隱藏模式，其相似之處都可以反映出生命體共同的起源，借此我們可以構建一個將所有生命體聯繫在一起的關係樹。生物所處的環境為它們的生存提供了不可預測的機遇，同時也帶來了壓力，這一切導致了生命體之間存在著差異。因此，生物現在的形態反映了過去的歷史。進化為理解生命提供了一個強大的框架。然而，進化不是本書關注的重點。因為已經存在很多關於這個主題的大眾讀物，更重要的是，僅靠進化論並不能解釋“為什麼”，它更多的是在解釋“怎麼樣”。

為了說明我所說的“為什麼”是什麼意思，我們可以用鰾來舉例。它是多種（但不是所有）魚類體內的一對充滿氣體的囊。將現存的和滅絕的生物進行比較可以揭示這個器官的進化歷史，它與達爾文所說的呼吸空氣的動物的肺的出現有關。然而，理解鰾的功能需要一些物理知識：封閉氣體的低密度抵消了硬骨魚骨骼的高密度，這些魚類因此能夠保持與水環境相等的平均密度，從而可以輕鬆地停留在任何它們喜歡的深度。鰾只是魚類改變自身密度的一種途徑。如果魚的體內含有大量低密度的油，或者其骨骼由軟骨而不是硬骨組成，那麼也可以達到改變自身密度的效果。沒有鰾的鯊魚採用的就是這兩種方案。軟骨魚和硬骨魚的最後一個共同祖先生活在 4 億多年前。從那時起，這兩個群體通過不同的進化路徑發展出了不同的方案，來應對水中運動這一共同的物理挑戰。我們認為，理解這些與密度控制相關的解剖特徵產生的原因，可以揭示出魚類共有的隱藏統一性，這種統一性超越了它們的進化差異，這是貫穿本書的觀點。然而，我們應該記住，正是變異和自然選擇機制，也就是那些在水中行動自如的生物通過世代積累不斷提高它們的生存概率的機制，使得生物體呈現出現在的形態。

除了生物化學和進化論，還有其他視角可以用來研究生命的廣度。然而，與其把它們一一列出，不如重點關注我們將要探索的方法。

正如我所提到的，本書的其余部分都是以生物物理學的視角來探討的自然觀。生物物理學意味著生物學和物理學的融合。它提出了一種概念，即構成生命的物質、形狀和行為是受普遍物理定律支配和約束的，我們通過闡明物理規則和生物表現之間的聯繫，能夠揭示一個豐富多彩的生命框架。物理學之所以具有實用性，正是因為其具有普遍性，這也是物理學的魅力所在。引力原理既適用於從樹上掉下來的蘋果，也適用於圍繞太陽運行的行星。我們目前的工作目標就是要將生物物理學的範圍進一步擴大，以涵蓋量子世界的奇異行為。生物物理學將物理學對統一性的核心追求延伸到了生物世界。

這麼說來，生物遵守物理定律看起來是理所當然的。畢竟生物體也是由構成其他一切物質的基本粒子組成的，因此理應遵循相同的規則。人們可能會認為，粒子在物理力的作用下形成原子和分子之後，物理學的明確作用就結束了，複雜的化學作用將進一步影響分子的重新排列，而細胞和生物體的特殊偏好則負責塑造更大尺度的特徵。然而，這是不正確的。物理力既可以塑造冬季窗戶上複雜的霜花分支紋理，也可以支配廣闊沙漠上的有規律的沙丘外形，物理力的作用過程不需要從亞原子粒子層面進行解釋。物理機制在所有的尺度上塑造了生命。物理學的偉大成就之一，是讓我們理解了各種自然現象中產生的普遍規律，幫助人類掃清複雜的障礙以揭示深層的原理。這一點在過去的半個世紀尤其明顯。例如，將磁鐵加熱到臨界溫度以上，它就會消磁。盡管磁鐵是由許多不同的元素和合金制成的，每種元素和合金都有自己獨特的原子結構，但每塊磁鐵的磁場在接近其臨界溫度時都會以完全相同的形式衰減。事實證明，無論原子的具體結構如何，由原子間相互作用形成的三維排列足以決定它們之間相互作用的結果。再舉一個例子，假設在一個容器中裝入各種不同的堅果，然後搖晃它。我們會發現，通常較大的堅果會集中到頂部，這就是眾所周知的“巴西堅果效應”。當然，這種現象並不是堅果所特有的，它普遍發生在谷物、河床上的岩石，以及任何攪動著的、無序的物體的混合物中。要想解釋這種現象，需要用到“顆粒流”這一概念，也要考慮到碰撞粒子集合為了移動所采取的創建和填充間隙的方式。

生物物理學是試圖將廣泛適用的物理規則應用於生物世界的一門學科。這一努力雖然尚未實現，但目前取得的進展已經比我們幾十年前預想的要好很多。利用物理學，我們可以了解 DNA 從病毒細胞中裂解的機制、思維速度的基本限制，以及人類脊椎骨的規則間距。運用這些知識，我們得以在塑料板上培養器官，並使用光脈衝讀取基因組，也得以揭示隱藏在生命世界中的簡潔性和優雅性。說它簡潔是因為很多現象只要通過少量原則而不是一堆細節就可以得到解釋；說它優雅是因為有生命世界和無生命世界共同具有以上統一性。這是一種不同尋常的觀點。希望接下來的內容能讓你信服。

然而，人類每一次在複雜性中尋求統一性都可能因傲慢陷入陷阱。我們很容易忽視多樣性提供的經驗教訓，或者將雜亂無章的數據強加到不合理的簡單框架中。站在物理學的視角看待問題時尤其容易出現這樣的錯誤，這可能是因為其理論上的優雅，也可能是因為其歷史上的成功。有些人認為物理學家就像大象一樣，總是堂而皇之地踐踏相鄰的研究領域而不懂得欣賞腳下的寶藏。身為一個物理學家，我不得不承認這一描述並非毫無道理。雖然這本書是對生物物理學的頌揚，但我也會描述它的一些紕繆。第 12 章就特別探討了生物物理學方法可能並不適用於處理有爭議的新陳代謝問題。

那些控制生物體的物理原理

控制生物體的物理原理究竟是什麼呢？我們可以參考那些能夠用精確的數學公式描述的定律，如與基本力學、熱力學、概率論等相關的定律。這些定律雖然嚴謹，但相當枯燥，而且會掩蓋生物物理學家從自然中獲得的重要教訓。因此，我在本書中將把注意力集中在生物物理探索中經常遇到的 4 大物理原理上。

第一個經常遇到的物理原理是自組裝（self-assembly），即分子、細胞或組織等生物組件的構建指令被編碼在組件本身的物理特性之中。生物體具有塑造自身的指令，這看起來是件顯而易見的事。畢竟，我們不需要把一棵樹雕刻成樹的形狀，也不需要給海星貼上 5 只手臂，這些生物體可以自己組織形態。然而，它們並不需要像計算機一樣將內部指令寫入一組組件，形成一個任務列表，並由另一組組件執行。生物組件的物理特性往往承擔了指令的功能。尺寸、形狀等特徵和像電荷等不太直觀的屬性都可以引導生物組件排列成一個更大的整體，整個過程也會遵循相關的物理定律。

我將舉例進行說明。如果你曾經吹過肥皂泡並看著它們聚合在一起，就會發現，在相鄰的會合點上不會存在超過 3 個氣泡。4 個相鄰的氣泡的組合形式看起來可能像圖 0-1a 那樣，內側邊界像彎曲的字母 H，但絕不可能像圖0-1b 那樣呈 X 形。物理力使肥皂泡擁有最小的表面積。這種氣泡排列規則自19 世紀被比利時物理學家約瑟夫·普拉托（Joseph Plateau）揭示以來就廣受贊譽。這種規則不允許 4 個氣泡以任何形式連接，因為那樣將永遠無法獲得最小的表面積。氣泡的排列不是隨意的，但也不需要外部力量來引導它們進入固定的模式；它們的組織規則已經融入它們的物理特性中。

一個多世紀以來，科學家已經注意到很多組織中相鄰細胞的排列方式與肥皂泡類似，並對這是一種巧合還是反映了類似的潛在機制進行了研究。例如，在 2004 年，日本東京大學的林貴史（Takashi Hayashi）和美國西北大學的理乍得·卡休（Richard Carthew）研究了位於果蠅復眼中的感光細胞簇。通常來說，感光細胞有 4 個，其排列方式與 4 個相鄰肥皂泡的排列方式完全相同（見圖 0-2）。通過觀察產生了 1、2、3、5 和 6 個感光細胞的突變果蠅，他們發現，這些細胞的排列方式與 1、2、3、5 和 6 個相鄰肥皂泡的排列方式相同。果蠅似乎依賴表面積最小化這種通用的物理機制來組織視網膜的關鍵細胞。果蠅並沒有煞費苦心地排列細胞，而是將細胞製造出來後，讓它們自己組裝，使表面積最小化，並自行形成相應的接觸面模式。這些細胞會像肥皂泡一樣自組裝。類似的情況數不勝數。我們發現，結構特徵並沒有明確繪製在很多生物體的“藍圖”中。大自然只是將原材料放在同一個地方，並相信物理定律會將它們正確地組合在一起。值得慶幸的是，物理定律是可靠的“裝配工”。

第二個經常遇到的物理原理是調節回路（regulatory circuit）。因計算機的普及，我們了解到機器可以通過邏輯規則將輸入轉換為輸出，並基於傳感器或控制器的信號做出決策。我們也自信地認為，包括人類在內的生物體也會根據環境中的刺激做出行為選擇，雖然計算的細節更加神秘。我們將在後文中看到，決策回路不僅是宏觀世界的一個特徵，還表現在生物體分子的微觀活動中，並嵌入生物體分子的結構和相互作用模式中。一系列濕潤、柔軟的生物組件組裝成可以感知環境、執行計算並做出合乎邏輯的決策的機器。

例如，發育中的胚胎裡的細胞在遷移過程中必須在到達合適的目的地時才停止遊蕩，這一決策部分取決於對鄰近組織的機械剛度的評估。細胞黏附利用了從其表面突出的蛋白質，細胞通過這些蛋白質與周圍環境“博弈”。一些黏附性蛋白質既可以作為傳感器也可以作為錨點，這兩個角色密不可分：處於堅硬的環境中時，蛋白質分子會被拉伸，就像從幾米外拉一根粗大的樹枝的人的胳膊是伸直的；處於柔軟的環境中時，蛋白質是彎曲的，就像拉晾衣繩上的毛巾時胳膊常常是彎曲的，因為很容易將毛巾拉向你這邊。細胞含有其他可以結合位點的成分，只有當黏附蛋白的位點暴露時，這些成分才能與之結合。而只有當分子被拉伸時才會發生這種情況。想象一下，只有當你拉樹枝而不是毛巾時，你的手肘內側才會伸展開，也才能因此被觸及。這種結合觸發了最終使細胞決定停止遊蕩的事件。因此，蛋白質的物理構造為一個在細胞層面感知、計算和決策的機器提供了基礎。

第三個經常遇到的物理原理是可預測的隨機性（predictable randomness）。生命機器背後的物理過程基本上是隨機的，但矛盾的是，它們的大致結果是可以被準確預測的。在非生命世界中，隨機性是各種活動的核心，如洗牌和氣體分子的碰撞。物理學長期致力於解釋穩健的特徵是如何從潛在的混亂中產生的這一問題。例如，我們知道為什麼內部活動劇烈的恒星仍能發出穩定的、一致的彩色光，以及如何從汽油的劇烈燃燒中提取能量。微觀世界受到持續、劇烈的基礎隨機運動的影響，DNA 和其他細胞成分必須處理甚至利用這種隨機運動。我們可以推斷隨機過程的可能結果，這在許多情況下為表面上看起來很複雜的現象提供了簡單的解釋。例如，當病毒接觸它能夠感染的細胞時，它根本不需要考慮（即使它能夠思考）如何找到可以與之結合的特定表面蛋白。它被一股隨機力量四處拖拽，以確保其通過這種混亂的軌跡可以與目標相交。你的免疫系統也利用隨機性產生了種類繁多的受體蛋白，這些受體蛋白可能會通過偶然的方式來識別從未遇到過的入侵者。我們將用第 6 章的全部篇幅來探究微觀運動的隨機性，這與對基因和性狀的探究相呼應，其中隨機性也融入了生命的運作方式。

第四個經常遇到的物理原理是尺度推繹（scaling），即物理力取決於物體的大小和形狀，從而決定了生命體生存、發育和進化的形式。對於人造結構來說，尺寸、形狀與物理特性息息相關，這是顯而易見的。例如，建造大型建築物是一項十分困難的工作。在鋼架和其他現代發明出現之前，建造很高或者很龐大的建築時，這些建築很容易倒塌，因為建築結構的重量超過了墻壁可以支撐的重量。簡單地放大一座小型建築，想要保持其比例不變是行不通的。用我們將在第 10 章詳細闡述的現代語言來說就是，重力和其他力將以不同的方式隨大小而變化，這是我們在設計建築物時必須考慮的問題。尺度推繹概念同樣可以反映在動物的大小和形狀上，而不僅僅局限於力學問題。尺度推繹闡明了生命形式的各個方面，從肺的存在到（可能的）新陳代謝率等。

接下來的章節將會闡明，這 4 個物理原理不是孤立存在的，它們相互作用甚至相互依賴。生物回路的精度通常取決於隨機運動的統計數據。隨機運動推動生物組件的定位，以促進它們進行自組裝。自組裝形成的更大規模的結構遵循尺度推繹定律。所有這些過程和原則共同構成了生物物理學解釋生命的框架。