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纳米与生命-电子书下载

人文社科 热爱 读书 2年前 (2022-06-24) 1248次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

这是一本关于纳米技术及其应用的科普读物,涉及生物物理学、医学及工程科学等领域。 纳米技术是生物学与医学领域的明星,也让物理学家为之着迷,是多学科交叉融合的典型科学领域之一。一直以来,像生命的起源、生命的多样性等吸引各个领域科学家的问题,远未得到明确的解答;然而,逐渐加快的学科融合已经成为必然趋势,让我们意识到自己正处于一个拐点上:科技即将改变我们对于生命的认识,而这会带给人类更强大的治愈疾病的力量。 这本书言简意赅地讲述了生物学、医学、物理学等学科融合的历程,介绍了由此产生的新科学。作者将对生命的研究置于广阔的语境中,旨在对支配整个宇宙运行的规则有全新的理解,也展望了这种学科融合对人类的健康和生活质量的提升有怎样的深远影响。

作者介绍

索尼娅·孔特拉(Sonia Contera) 牛津大学物理系生物物理学教授、牛津马丁学院医用纳米科学研究中心联席主任。她的研究方向是物理学、生物学和纳米科学技术的交叉领域,具备多个学科的研究背景。

部分摘录:
拉远镜头:解释由复杂性形成的生物学行为 从17世纪后期开始,科学所做的大部分工作都集中在将复杂的系统打碎成更小、更简单的部分。随着一些技术互补发展,在越来越小的尺度对物质与自然现象进行剖析与检测,这一工作进程又得以加强。对很多人而言,科学大概就是这样:有代表性的科学家,通常是穿着白大褂透过显微镜观察的形象。
然而发现物质由什么构成,不过是我们与自然界关系的一个方面。人类一直在努力调和我们宇宙环境中那些看起来矛盾的特性:一方面,我们生活在一个明显很混乱的世界中,尝试从中找出更简单的组织规则;另一方面,我们经常会被复杂性淹没。这种二元性在我们的灵魂、思想还有社会中交织。复杂性与简单性之间的张力,横亘在人类创造力的中心,存在于艺术之中,也存在于我们创造技术(包括计算机)的先天冲动之中,这些技术被我们用来重塑并探索世界。人类的技术力量精确地驻留在给现实创造简化模型的能力上,这可以被翻译成“工具”。我认为,正是这种通过技术改造自然的能力,造成了一种全能的错觉,诱导我们用纯粹的还原主义术语去解释这个世界与我们自己。过去数个世纪以来,技术进程经常让我们把世界和我们主宰世界的企图混为一谈。
我们的技术能力诱使我们放弃了复杂性与简单性之间的必要张力,而这种张力支撑了宇宙的运行,也邀请我们拥抱一个更舒适但也更匠意的场景,它由更简单的规则与形态构成。
很多根据生物学里“中心法则”衍生而来的解释与假说,都遵循了这种思考模式:“生命由纳米尺度的构造模块(蛋白质)根据DNA的指令组装而成。”还原论者在面对惊人的复杂性时由此获得安慰。
但是我们如何能找到恰当的平衡?我将会从科学以外找个例子。包豪斯运动[13]在现代世界的建筑及设计美学中占据主导地位(想一想宜家和苹果手机),它的诞生在一定程度上是为了缓解德国在两次世界大战之间的经济与社会复杂性。为了寻找简单又实用的模型与材料,同时让我们的生活变得更加安稳与舒适,包豪斯的先驱们努力寻求简单性与复杂性、工艺与技术、科学与自然之间有意义的共存。这一特殊时期技术力量、破坏与贫穷和战争带来的混乱如梦魇一般,他们让艺术、设计以及建筑领域互相交织,努力地开辟出生存之道。
包豪斯运动并没有能够持续很久(尽管它的实践者继续在全世界传播它的影响力,并且在100多年后的今天它仍然无处不在)。这所学院是在纳粹政权的压力下关闭的,而纳粹能够非常有效地力求采取“不同的策略”处理社会与经济的复杂性。历史一次又一次地教育了我们,放弃现实中复杂的特性只能获得暂时的舒适感,人工制造的简单性往好了说不过是走向停滞,往坏了说就是自我灭亡。自然从不会让我们把法则凌驾于其之上太久,不管我们的意愿如何(就像如今全球变暖危机警告我们的那样)。
简单性似乎是一些必要的脚手架,让我们能够完整地拥抱我们感知到的奇妙现实。在生命科学中,基因是关键,但仅仅靠它永远不能满足我们对知识的渴望,亦不能满足我们在技术和医学上的雄心。在现实与实践中,仅仅从基因与蛋白质的关系出发,有些过程就难以被解释,比如:细菌感染、大脑中的电波、鱼群的运动,或是人类的艺术精神。
然而,我们决不能放弃我们从现实中发现其简单成分并找到简单规则的本能。相反,我们要努力将这些成分置于宇宙的完整图谱中。当然,这一图谱中也囊括了它们的相互作用与表现的复杂性。
通过优先考虑还原论,我们已经创造了奇迹,诸如DNA的发现、生命的纳米尺度机制和希格斯玻色子此类。如今,是时候(再次)将注意力更多地放在我们感知、凭直觉知道、测算并理解复杂性的能力上了。这一点,最终会是21世纪科学与技术在生物研究中交汇的原因。如果我们不去拥抱我们自身生物学的复杂性,技术与医学的发展就会停滞。当我们这么做时所获得的教训,还有我试着从本书中总结的教训,都是极其深刻的:自然与历史正在邀请我们用一种更深刻的方式去和世界进行交流与相互作用,由此拓展人类和宇宙进行更有效连接的能力。
还原论教会我们,制造出能够分离物质中单一成分的仪器非常困难(想象一下欧洲核子研究中心的大型强子对撞机这个极端案例吧),部分原因是宇宙中的物质与它的环境紧密相连。因此,单纯的还原主义理论无法对现实给出令人满意的解释,这也就不足为奇了。宇宙利用物质、能量和作用力制造出结构化的物质,其整体行为与更小层面上的分体行为的综合并不相同,而是杂糅并融合了各组分与环境的特性;或者就像科学对此做出的冷淡表述,复杂系统的行为“涌现”了。
我们再回到短片《十的力量》(它的创作者被包豪斯深刻影响了),这一次我们拉远距离,看一看宇宙的模样。在这里,单一的构造模块在经过复杂的相互作用后形成一些图案,涌现现象变得更为显著。比如说,数十亿颗恒星与行星相互作用,形成星系旋涡,接着又聚集成星系团和巨洞。拉远距离,我们不得不理解复杂与简单的宇宙阴阳二元性,熟悉的秩序出现在从近处看一如混沌的地方:强烈的结构涨落,不可预测的运动(“动态”),以及空间与时间的多重尺度——这些经常被归结为结构与行为的涌现。对于宇宙创造出涌现行为的能力,生物学是最令人陶醉的证据:形状生长得足够复杂,为它们的结构赋予感知、响应、改造乃至理解它们赖以生存的世界的能力,因而足以演化出“生存”的天赋。细胞的命运最终是由它跨越时间和空间尺度与环境进行的亲密纠缠所决定的;生命交织了结构、感知、智能、适应与演化。从复杂性中涌现,如今已成为一个研究领域,聚焦于具有“孤立分析单一的组成部分并不能解释其整体行为”这种特征的系统——这使得传统的还原主义方法在科学上变得无足轻重。
科学界总是在推迟处理“复杂性”的问题,直到他们再也无法回避。物理学将20世纪早期的几十年都花在还原论的问题上,试着去理解单一的原子。这种将物质打碎成更小部分的本能,或许给了我们在原子尺度对于宇宙运行最美丽且神秘的解释之一:量子力学。然而,从量子理论的深处,物理学家再一次超越了极端的还原主义,恢复了人类凭直觉感知扩展、层次与整体的潜在能力。量子物理学家通过实验与自然进行相互作用,他们开始创造现实的物理学理论和数学模型,用以在更小的尺度上从复杂性中捕捉到由简单行为形成的涌现。
物理学对于“集体效应”的严肃思考推迟了将近300年,不过最终在20世纪下半叶还是遇到了它们,并试图解释固态材料中观察到的涌现现象。普通磁体的磁性来自原子内部电子自旋磁矩的自发集体取向排列,与此类似,超导性与超流体是在温度接近绝对零度(约–273℃)时,由电子与原子的协同相对流动涌现的。在这些案例中,要观察到系统中每一个电子的位置以理解这一现象,既不可能,也无意义。相反,物理学理论基于普遍的物理学原则,结合定量实验对理论进行检验,最终能够传递单一电子行为与总体共同现象(比如磁性)之间的联系,而且没有观察任何一个特定电子的自旋。
生物复杂性亦是如此,它的行为和表现在大多数时候都不能确定单一的明确原因。生命体中有太多活性成分,它们之间有太多反馈回路,在构造模块的相互作用中寻找原因很少会有科学意义。正如读者所见,涌现现象对于医学与治疗干预也产生了很大的影响:要治疗一种疾病,找到一个单一的分子目标(大多数药物学与生化研究的目标)是否总能奏效?另外,即便那个单一的分子目标存在,作用到它的最佳办法又是什么?
生物学不能用基因还原论的方法解释,这一总结性的论据来自一个本来期望证明相反结论的大项目。在人类基因组计划中,来自6个国家的科学家合作超过10年的时间,识别出全长两米多的人类DNA碱基序列。这一计划的预期结果是,为智人物种的每一种蛋白质都识别出一个基因——这是中心法则最粗糙的解释。基因的数目预估会超过10万,被广泛宣传的精确预测数目是142 634。
初步结果被刻意安排在2001年2月12日,也就是查尔斯·达尔文的生日那天发布。结果很让人吃惊:人类只有大约21 000个基因,只比毫不起眼的秀丽隐杆线虫多一点点(这一物种仅有959个细胞,却拥有超过19 000个基因)。在包含我们基因组的DNA两米长链中,只有8%~15%被基因占据,这部分基因也是可以为蛋白质编码的序列。
人类的复杂性终究不能用中心法则最简单的还原论方法生成。人类基因组计划证明,为了从20 000个基因的编码信息里形成超过100 000种蛋白质,DNA编码必须通过某种方式被操纵,并具备多重目的;细胞必须挑选、切割并粘贴基因的片段,以响应它与环境的相互作用。我们现在知道这是如何发生的。单个的基因是由编码片段(外显子)和非编码片段(内含子)构成的,而组装蛋白质的指令是在移除了内含子后由外显子拼装而成的(这一过程在DNA转录到RNA期间发生)。如果一些外显子被忽略,或者用不同的顺序排列,那么同一个基因可以形成好几种蛋白质。至关重要的是,实现这一结果的方法一定与很多非遗传(表观遗传)因素相关联,其中包括插入基因DNA的分子标记,还有基因组内信息的排列方式,以及细胞核内DNA的结构与物理形态。
人类基因组计划的结果迫使我们放弃基于DNA线性编码的过度简化的生命模型,并通过让我们思考一种可能性——复杂排列的生物分子具有计算生存方案的能力,邀请我们进入一个更加包罗万象的场景。让我们试着想象一下,细胞如何利用DNA编码的信息,对环境中产生的信号做出反应。两米长的DNA被限制在很小(5微米)的细胞核中,需要能够像某种“活着的计算机”那样工作,它根据当前的条件或挑战调节细胞的性能,从而对细胞内其他部分发出的化学与物理信息做出响应。这需要利用DNA片段中储存的信息来实现,而这些片段被战略性地动态放置,以对传来的信号做出反应。解决方案会在一定程度上包括对特定蛋白质的表达,这些蛋白质能够促进特定的细胞“行为”(例如分化或迁移),以提升细胞的存活能力。
总的来说,演化创造了一些生物分子,它们能够在其结构的多层次复杂性中对解读并识别环境的能力进行编码,并通过计算最优化的生存策略对环境做出响应。随后,生物结构自身扮演了算法的角色,能够实时学习、适应并演化。通过这一方法,生命利用宇宙法则所创造的复杂计算能力,涌现出秩序和宏观行为。这包括了信息与能量的传递,以及一些结构的形成与重组,这些结构有序又复杂地互相连接(由物理学家所说的“非平衡热力学”驱动,最初由埃尔温·薛定谔于1944年发表的极有影响力的著作《生命是什么》中提出)。比起一串死板而“自私”的DNA编码,这种解释更加合理,也更具吸引力,而且指出了“智能”本身的物理学起源。它还暗示了,生命如何在分子结构的动态重组中,通过感知与计算的结合调和复杂性与简单性。

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