物理学家把他们对世界的见解和从细胞膜到细胞运动的生物学现象联系起来，希望用探讨力学的方法，在生物学系统内产生新的见解。

狂风大作的3月里，在圣 · 路易斯正召开着一个现代科学会议。

艾戈尔 · 沃德扬奥伊（Igor Vodynoy）去就午餐，同时参加一个有关分子生物学取得成就的、令人愉快的座谈会。会上有人提出关于如何研究细胞的图像，已经到了只需添加最后几笔的时候。因为它的基础部分，蛋白质如何执行其功能，在教科书中已经有了阐述。沃德扬奥伊马上加以制止，并伸出告诫的手指，他说：“那并没有告诉你从分子到膜相互作用的所有一切有关的机制。因此，你还必须了解物理学。”

沃德扬奥伊在美国海军研究局驻伦敦办事处工作。他和同事们参加了美国物理学学会。该学会中，关于生物学迫切需要物理学家思想的见解很受欢迎。许多届会议都致力于生物-物理学。研究者们提出T成打的，同时具有物理学和生物学背景的论文——证明生物学需要作为物理学标志的，普遍的力学定理和详细的概率推论。例如，有几个作者对生物化学中通常的运算步骤——精确测定分子结构要遵循其功能的定性论据——需要再三再四地略去分子如何相互作用细微差别的做法有争议。最后 · 温哥华不列颠哥伦比亚大学的生物物理学家埃文 · 埃文斯（Even Evans）说：“我们正在了解我们所需要的，几乎所有的蛋白质的结构。然而，我们却不知道如何着手进行。”

无论会议内外，生物学家们都反对那种把结构当作生命第一阶段，不然任何进一步分析都会搁浅的认识。但是，要发现生命的规律，都是说得容易做起来难。哈佛医校的细胞生物学家和癌症专家安德鲁 · 马尼奥蒂斯（Andrew Mamotis）说，事实上，由于物理学家对生物学系统的复杂性有些天真，他们对生物学总是倾向于发表一些不恰当的，狭隘的预测。马尼奥蒂斯和其它人赞同生物学致力于机制，可能是有益的。布鲁克黑文国家实验室的结构生物学家和生物物理学家沃尔特 · 曼格尔（Walter Mangel）说，物理学家最近的注意力受到“格外的欢迎”。会议上，生物物理学家热切地夸耀他们所做的贡献，阐述物理学家在生物学系统的范围内，如何应用其观点，从细胞膜受体动力学到细胞发育期中扩散法则支配细胞移动，所产生的新见解。

研究者们除了注意到物理学家们倾向于争取简单化和定量预测，生物学家们专心于综合许多相互关联的现象来搞清楚复合物之外，并不总是同意这两种学科的世界观具有明显的区别。但是，他们又说，当你看着它们时，如果具有判断力，就很容易识别这种差别。关于细胞彼此如何粘着问题，在应用新理论研究的情况下，物理学家的判断力非常明显和有帮助。

会议上，洛杉矶加利福尼亚大学的罗宾 · 布鲁斯玛（Robiin Bruinsma）和马里兰大学帕克学院的丹尼尔 · 朱克曼（Daniel Zuckerman）共同完成的研究披露：他们专门研究了细胞膜上被称为“锁-和-钥”分子之间的相互作用。这些分子使一些细胞彼此粘附在一起，成为免疫反应、正常组织发育、癌的转移和其它生理过程的一种能力中心。

布鲁斯玛说，例如，杀伤者T细胞和巨噬细胞结合，细胞膜动力学起着“戏剧性的”作用。巨噬细胞就像一辆游动的垃圾载运车，吞噬着细菌并在其表面上表达出专化的分子（即‘钥’）之后，才会发生这种结合。他又解释说，一旦‘钥’被显现出来，它们就在T细胞上和‘锁’配合，并给它信号，释放出能破坏巨噬细胞内含物的一种化合物。而这些由锁-和-钥分子产生的近距离吸引力或者是‘粘附’，会被悬挂在细胞上耐压缩的毛状糖蛋白分子，所产生的远距离排斥力所平衡。

那么，T细胞要付出多强的反作用力以及多少受体的有限数量，才会和巨噬细胞结合？早期的论述曾把锁-和-钥分子看成是相等分布的‘胶结剂’。但是，布鲁斯玛和朱克曼指出，这种分子会沿膜的表面滑动。因为糖蛋白推动细胞分开，它们产生的‘涟漪’使膜拱起来。由于那儿的膜最为致密，这些涟漪边缘的锁-和-钥分子就倾向于一齐滑动。

研究组还精确地发现锁-和-钥分子的表现如同特殊的二维等离子体或者是电离的气体，其中每个颗粒对其它的颗粒，都有明显的吸引力。埃文斯解释说，分子塌缩到涟漪边缘，“给了［细胞］一个紧抓不放的立足点，”它所产生的十分牢固的绳状结合，比起那种彼此极易剥离的一排排简单的连结，更强而有力。他还强调做试验就能找出细胞中的这种作用。布鲁斯玛说：“生物学家是按个别情况研究某些类型的粘着分子

桑塔巴巴拉加利福尼亚大学的一位生物物理学家赛勒斯 · 萨菲妮亚（cyrus Safinya）补充说：“我们探索粘着的遗传特性，却对一个非常有趣的理论物理学观点问题踌躇不前。”由于在许多感染的细胞中，也发生过类似的结合。所以，这对生物学家来说，可能是一个重要的结果。有些疾病，如癌症转移就发生在细胞粘着不牢固的时候。

电效应

物理学家的世界观对细胞膜的其它关键作用，也提供了新的见解。例如，沃德扬奥伊和在马里兰贝特斯达国家卫生研究所的合作者，瑟奇伊 · 贝兹鲁柯夫（Sergey Bezrukov）在会上报告了他们对离子蛋白质通过膜传导的研究——即所谓的离子通道。实际上，每个活细胞都有离子通道。它们调节来自细胞的渗透张力，还有沿着神经传导的信号等等。他们研究的这类通道被称做‘控制之门’。因为它们随着用来越过膜的电场，而随机地或者不可预测地开启或者关闭。

有时候，这些通道对电场极为微小的变化也有反应。例如，鲨鱼即使在很强烈的电噪声背景中，也能感觉到被捕食者的鳃，在开启和关闭时所产生的、极其微小的周期电场，并有效地‘放大’被捕食动物的信号。沃德扬奥伊说，而人工装置要达到如此高度的性能，就必须处于液氮的条件下才行。他说：“我们这儿有这种鲨鱼，它就游弋在那儿，在它的感觉器官中，这种通道就不知怎么地会感觉到那微小的电场。”

贝兹鲁柯夫和沃德扬奥伊去年在《自然》杂志上发表了试验报告。他们为了搞清楚敏感度的基础，采用了一种仔细控制的生命系统试验模式。他们把离子通道蛋白质，埋置在分散的电解质贮液囊的人工膜中。在对人工膜施加了微小的周期场之后，发现信号放大了——估计是离子流打通了通道——几乎是按指数放大的。这样他们就找到了一种分散的噪声场强度。换言之，更多的噪声会加大膜感知场的能力。这种反直观的现象。称为随机共振。这在许多错综复杂的生物系统中都能见到。两年前，圣路易斯密苏里大学一位专门研究淡水龙鱼尾巴感觉运动能力的专家 · 弗兰克 · 莫斯（Frank Moss）就已经开始了先驱性的研究。

莫斯说，无论如何，应用贝兹鲁柯夫-沃德扬奥伊装置，就能在膜的水平上开始做定量研究，最终或许会揭示出这种作用的分子学基础。会议上，沃德扬奥伊简要地叙述了新的计算机模拟结果，提出放大取决于相邻通道之间的关联作用，同时也取决于控制之门对大范围变动电压的敏感性，研究者说，这种对噪声精确细节的依赖，可能就是动力学的关键线索，

在贝兹鲁柯夫和沃德扬奥伊探索细胞感觉能力的同时，其它的生物物理学家却瞄准了细胞运动——特别是在发育的有机体中，细胞群体转移到它们的正常位置的时候，有关胚胎发生的复杂舞蹈设计问题。诺特 · 戴姆大学由詹姆斯 · 格莱齐尔（James Glazier）领导的，包括阿佩塔 · 厄帕德雅耶（Arpita Vpadhyaya）、伊江（Yi Jiang）和乔斯 · 莫姆巴赫（Jose Mombach）在内的研究组，对该过程的经历做了详细的审查。格莱齐尔解释说，在胚发育的某一阶段，可以设想细胞在‘随机游动’它们向任意方向运动，直到找到一个最小的能量状态。这种能量状态，是在偶然碰撞时，由不同细胞彼此粘着强度所决定的。但是，直到目前为止，却没有人能够在细节上重复这一过程。

格莱齐尔说：“人人都在谈论布朗运动”——细胞向任意方向扩散——“却没有人尝试去定量地加以证实。”他的研究组正好对鸡胚上形成色素和神经视网膜的细胞，做了数字分析，微速摄影盒式磁带录像则发现来自眼背面较暗的、形成色素的细胞。神经细胞的混合物，如同水中的分子一样，确实是任意扩散的。理论家们已经提出这种‘细胞分类’的颗粒型，它们在胚胎发育的某些阶段占支配地位。目前，格莱齐尔希望能产生出包含有趋化性——从物质向前移动或者移开的一种细胞倾向性——的发育普通模式，作为第二细胞分类机制。

作为研究气泡和泡沫而著名的物理学家，格莱齐尔承认，在生物学系统中做物理学试验，会出现不熟悉的障碍。他说：“生物学比物理学更难于满足。你不能只拨动刻度盘来控制温度和压力。”而必须代之以学习生物学技术，才能巧妙地处理活细胞，使之正常地进行繁殖。”

协调行动

在一次生物大分子协作效果的专门会上，开头的发言者并未对这些论点提出疑问：圣路易斯华盛顿大学医校的恩里科 · 迪 · 塞拉（Enrieo Diceru），他有生物学的背景，但又接受了数量哲学。他以凝血酶，一种如果发生串联就会导致人血凝固的关键酶作为研究对象。他不满足于那种依靠结构探索和变异试验结合的标准的生物化学研究方法。因为他认为那会对结构功能关系，产生一种‘非常肤浅的认识’。例如，肽键中的颗粒变异，会改变其活性而表达部分蛋白质的功能。但这并不能揭示其某一部位的性能，至于蛋白质分子上其他部位对该部位的影响，依靠传统的生物化学研究法，也不能清晰地反映出来。

在大分子例如凝血酶中，这种‘协调性’是共有的，只要在一个部位上结合了其它的原子和分子，就会通过全部的分子并影响其它部位上结合的亲合力，因而触发形状变化。事实上，形状起变化就会使凝血酶的功能发生根本改变——从促进到抑制血液凝固。

华盛顿大学的加里 · 阿克斯（Gray Ackers）和其他人，发展了一种和大分子上成对部位结合能量有关的、严密的热力学理论。戴 · 塞拉应用它作为其试验的基础，对这些协作作用进行探究。如一个机械圆筒中的压力和容积那样，两者彼此依赖，还和第三个参数，例如外加的温度有关；一个部位上结合能量要取决于第二个部位的状态（是结合的还是未结合的），以及取决于分子的其余条件。戴 · 塞拉曾经用测定分子中成对的活动部位作出这些能量图解，来阐明部位相互制约的精密特性，并准确地加以解释。

目前，他和一些在医学中心的研究者，包括科克 · 丹（Quoc Dang）、恩里克塔 · 昆托（Enriqueta Guinto）、亚历山德罗 · 文迪格尼（Alessandro Vindigni）等人合作，应用形式主义做了关于凝血酶的试验。他们发现分子戏剧性的变化是由分子上的一个钠离子，结合到一个颗粒部位上控制的——这是一个部位和其余结构之间协作的生动例证。宾夕法尼亚西点的默克研究实验室基础研究部主任朱尔斯 · 谢弗（Jules Shafer）说，上述研究会推动寻找防止由于阻断凝血酶的活动部位，而引致心力衰竭的一种抗凝血剂。他又说，但是大多数的生物化学家还没有对错综复杂的形式主义热衷起来。

亚利桑那州立大学的詹姆斯 · 刘易斯（James Lewis），曾在一次会议上要求把量子力学应用到生物大分子上。他说，生物学家最后是否欢迎这些新的‘入侵’进入他们的研究领域，可能要根据物理学家是否会弥补早期的‘失约’。他说，30年前在他的专业范围内，“这种空谈是‘啊！我们应该转动所能想到的所有生物系统的摇把。’”现在，却应更精确地阐明分子动力学问题。例如，电子云的相互作用。哥伦比亚大学的罗伯特 · 弗里斯纳（Robert Friesner）说，物理学家的希望并未实现，因为可用的计算力量太小。但是，他和其它人认为，随着硬件和软件的发展进步，现在已经能够让物理学家对生物学做出重大的贡献。

布鲁斯玛的合作者，圣 · 巴巴拉加利福尼亚大学的菲利普 · 平卡斯（Philip Pincus）说，凡是接受了生物学中发现的观念，都会产生一些有趣的物理学问题。“在那大部头的生物化学书籍中，随便抽出一本，其中每一页几乎都能找到过去没有研究过的、重要的物理学问题平卡斯最后说，物理学家从生物物理学的领域中所能得到的效益，至少会和生物学家一样多。”

［Science，1996年5月3日］