分子生物学家注重冗长的实验数据，而物理学家则习惯于把复杂的系统归结为可有助于了解其全部意义的几个基本原理中。但把这两个学科结合起来并非一件容易的事——

2002年7月末，几十位对生物学感兴趣的物理学家聚集美国科罗拉多雪山胜地，参加几十年前就开始从事蛋白质研究的物理学家汉斯 · 弗劳恩费尔德（Hans Frauenfelder）的80华诞庆祝会。然而，在聚会期间，这些物理学家却为另一件事情进行非正式庆祝——他们越来越强烈地感触到物理学在基因时代的生物学研究方面所起到的关键作用。

当然，在过去的几十年当中，物理学及其技术在生物学研究中一直起着重要的作用。结构生物学家以X射线晶体学和核磁共振技术为基本工具；生物物理学家研究从分子马达施加的力到酶的催化反应动力学各个方面的问题；电子物理生物学家需要了解讷斯特方程（Nernst equation）的运用，以描述离子穿越细胞膜的运动。

分子生物学的许多奠基人最初都是物理学家。但是自从马克斯 · 德尔布鲁克（Max Delbrück）和弗朗西斯 · 克里克（Francis Crick）等人开创该研究领域后，50年来分子生物学已经废弃了其根本。物理学倾向于理论，分子生物学已经变成了一种经验与描述性的科学。物理学利用数学表述自然定律，分子生物学则依靠文字和图表来描绘活性机体的功能。物理学的精髓是对复杂体系进行简化，而分子生物学力求对生命现象进行最细致的梳理。对于愤世嫉俗者来说，后者只不过是一种收集分子特征，把新成分或作用安插到更加复杂的生物化学结构中的练习而已。

倘若没有发生基因革命的话，这两种不同风格的学科之间的距离将继续加大。但由于高流量技术的迅猛发展，分子生物学家们发现现在他们利用这些技术可比以前更快地进行DNA测序、基因草图描绘以及蛋白质制备。生物学家们也许到了该把目光从枝端末节转向更重要的事情上的时候了。

“今日的生物学正处于与20世纪初物理学相同的境况，”美国加利福尼亚大学圣迭戈分校新成立的理论生物物理中心（简称CTBP）主任约瑟 · 奥纳奇克（José Onuchic）说，“它面临着许多需要解释的实验事实。’物理学家们认为他们可为分子生物学的发展助一臂之力，他们相信深厚的理论功底和对复杂体系建立模型的能力可把分子与细胞的研究推向一个新的高度。“生物学中太缺少物理学中司空见惯的理论与实验的结合”，曾经是《自然》杂志物理科学编辑、后担任哈佛大学Bauer基因研究中心科研部主任的劳拉 · 加温（Laura Garwin）说。

机会来临

基金资助机构承认该领域有可能取得真正进展。例如2002年7月，美国能源部批准了加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室的一项为期五年资金总额为3660万美元的科研项目。以物理化学家亚当 · 阿金（Adam Arkin）为首的研究组，计划开发模拟细菌对环境刺激的反应的计算模块。在物理学与生物学的领城内建立起新的交叉研究中心，工作机会将不断增加。了解到这一趋势，美国物理学会计划于2002年9月末在波士顿召开一次主要对生物学感到好奇的研究生和博士后人员的题为“物理学家在生物学中的机遇”的会议。

然而，物理学与生物学相融合的过程中依然存在着障碍。虽然有些分子生物学家欢迎物理学家进入他们的实验室，但也存在有些分子生物学家把物理学家看作是并不真正懂得他们所研究的内容的碍手碍脚的人。旨在把这两个学科结合起来的会议仍然时不时以两个阵营的科学家无法沟通而告终。即使已跨入了分子生物学领域的物理学家们也认为，处理相应的生物学问题对于该领域的门外汉来说是一个巨大的挑战。

奥纳奇克是倡导物理学与生物学相结合的急先锋。他最初在他的祖国巴西学的是理论物理学，他所领导的CTBP研究中心2002年8月获得了美国国家科学基金为期五年总金额为550万美元的资助，以促进生物学家与物理学家的合作。奥纳奇克认为，他之所以能进入生物学领域要归功于物理学家约翰 · 霍普菲尔德（John Hopfield），他于20世纪80年代末在霍普菲尔德的指导下在加州理工学院攻读博士学位，研究课题为生物电子输运反应理论。

生物物理学家们普遍认为奥纳奇克的导师是一个富有灵感的人物。霍普菲尔德如今在新泽西州普林斯顿大学分子生物系工作，他于20世纪80年代末设计出了具有动物神经系统性能的计算机神经网络模型。他的神经网络模型由模拟神经元组成，神经元是神经网络的基本结构单元，可根据特定的数学法则触发与之相邻的神经元。虽然人们自从20世纪50年代就开始设计人工神经网络，但霍普菲尔德的模型却成为第一个可进行模式识别、错误修改并具有记忆功能的人工神经网络。

“神经网络是一个并不神秘的概念”，位于加利福尼亚拉约拉的索尔克生物研究所的神经生物学家查尔斯 · 史蒂文斯（Charles Stevens）说。例如，他们证明通过对基本单元进行简单的重复操作即可使神经网络完成复杂行为，而改变神经元之间的耦合强度还可以对神经网络的行为进行调整。

如今，物理学家正在研究网络理论在分子生物学中的应用。奥纳奇克所在的研究中心的——项研究计划是调查基因控制网络与神经网络之间是否存在类似之处。正如神经元激发或抑制其他神经元一样，基因器件可以直接或间接地激发或抑制其他基因。这种类似甚至可推广为神经网络的学习功能（这种功能可改变个体神经元的激发方式，进而改变整个网络的行为）与进化压力改变基因表达的方式之间的相似性。

霍普菲尔德现在一直在支持“模块化”生物学。霍普菲尔德与Bauer基因研究中心主任细胞生物学家安德鲁 · 默里（Andrew Murray）、西雅图弗莱德 · 哈钦森癌症研究中心的基因学家利兰 · 哈特维尔（Leland Hartwell）以及纽约洛克菲勒大学的物理学家斯坦尼斯拉斯 · 莱布勒（Stanislas Leibler）共同提出，离散的生物功能模件很少来自于个体基因或蛋白质，而是来自于由许多相互作用着的分子构成的结构单元。这方面的例子包括合成蛋白质的核糖核蛋白体，以及控制细胞分裂的蛋白质信号网络组织。研究人员提出了许多研究_上述想法的方法，其中包括尝试在试管中复制或制备生物功能模件。这些模件的行为将有助于我们理解我们对基本原理掌握的程度如何。

开发科研沃土

物理学家除了开展上述工作之外，还在协助分子生物学家解释分子对整个细胞的行为的影响。加利福尼亚大学圣迭戈分校理论生物物理研究中心主任、凝聚态物理学家赫伯特 · 莱文（Herbert Levine），正在与位于纽约伊萨卡的康奈尔大学的生物学家们合作对细胞探查并向化学信号方向迁移的方式进行模拟。该研究组正在集中精力研究网柄菌属盘基粘菌，它以个体土生变形虫的形式存在，而当食物缺乏时将聚集形成有弹性的孢子，当条件改善后这些孢子可孵化出新的变形虫。

变形虫通过发送和接收例如环腺苷酸（cAMP）等生物化学信号聚集起来。但是，由于环腺苷酸扩散得很快，因此人们不清楚个体细胞是怎样判断信号来自何方。莱文根据新一波环腺苷酸到达细胞的一侧，再到其完全把细胞包围起来这段时间的间隔设计了一个模型，来了解个体细胞对信号的判断。莱文模型认为，细胞表面上结合有环腺苷酸的感受器首先向细胞表面上所有其他感受器发送抑制信号，使它们在大约30秒钟之后才能与环腺苷酸相结合。

虽然莱文认为上述想法的提出并不需要任何专门知识，但人们认为他之所以能够提出一系列目前可被实验验证的定量预言，与他所具有的可对复杂体系建立模型的基本功底不无关系。“生物学家一般也可以做出同样的事情来，但是物理学家在实践中受到过对复杂体系建立模型的训练”，莱文说。

莱文等人的研究项目是一个有希望的开端。但目前进入分子生物学领域的物理学家们还有更长远的打算，他们的最终目标是得出有助于解释多种生物体系的特性的基本原理。虽然目前讨论最终目标还为时尚早，但生物物理学家们指出莱文的想法是“强有力的想法”。

传统上，生物学家们认为细胞过程是非常灵敏而且是各方面都谐调一致的。但莱文却争辩说细胞能够经受得住大量不和谐因素和微扰的干扰。例如，不管温度或营养供应变化与否，支配生物体日循环活动的昼夜节律钟都将按相同速度走动。然而任何化学或酶的过程的速率都随温度的变化而变化，在条件不足的情况下，基因表达过程也将减缓。莱文认为，系统的上述“噪音”源在理论上对细胞的振荡过程的类型起着严格的限制作用。根据他的模型，依赖简单的负反馈回路产生随时间上下起伏的生物化学信号的生物系统，在不和谐的背景下将不再具有可靠的生物活动节律，而可使正负起伏影响相平衡的生物系统将相对不易受外来扰动的干扰。

上述理论将有助于分子生物学家抓住实验中产生的问题的焦点。但在许多情况下，由于物理学家与生物学家之间交流不畅，他们之间的合作正逐渐削减。这正是2002年4月于英国牛津附近的欣克斯顿（Hinxton）召开的DNA专题研讨会所遇到的一个难题。该研讨会由英国物理学会承办，其目的是促进不同学科的合作。

然而，物理学家与生物学家两大阵营很难理解对方，尽管他们为此做出了努力。“生物学家们的学术报告太专业了，”DNA研讨会期间一场讨论会的主席、英国伦敦帝国学院的凝聚态物理学家克里斯 · 菲利普斯（Chris Phillips）说，“许多物理学家可能没有理解他们的工作，我们需要综述性的介绍。”

前景展望

分子生物学家与物理学家最根本的差别是：在面对同一个生物系统时，他们会提出不同的问题。例如，在考察一系列相互作用着的蛋白质的时候，分子生物学家首先会问当一个蛋白质与另一个蛋白质相结合之后所要发生的一连串现象；而物理学家则想了解所有的反应速率。

在科罗拉多雪山会议期间的一次讨论会上，科学家们在讨论蛋白质的磷酸化作用时发生了与上述情况相似的一幕。人们经常通过添加或去除蛋白质中的磷酸基来改变它们的活性。当时在座的生物学家们的兴趣在于哪些蛋白质被添加或去除了磷酸基，而物理学家们却在思考更深的问题：为什么磷酸基与其他某些化学基具有不同的作用？

通过问询不同的问题，物理学家们在某些情况下可以提出全新的和有用的观点。但科罗拉多雪山会议的参加者们最令人担忧的一件事情是，他们有把时间浪费在没有生物学意义的问题上的危险。几位参加会议的人提出，生物系统并不是每一种特性都具有功能上的重要性，而且每一个系统似乎也并不是以最佳效率运转。生物进化并不是选择最佳方案，而只是选择最可实现的方案。物理学家们无意中走人了一个危险的误区，把他们的时间浪费在一个貌似有趣但实际上价值并不高的问题上。

这是一件非常令人关切的事情，因为目前仍然有人对早先物理学家涉足生物学领域是否适宜持有挥之不去的怀疑态度。在科罗拉多雪山会议上，弗劳恩费尔德因在蛋白质折叠动力学方面的工作被授予巨大的荣誉一一他提出了“能量地形”原理，能量地形中的山谷代表蛋白质的稳定形式，山峰则是蛋白质的变形势垒。但许多生物物理学家对弗劳恩费尔德的工作是否可给出蛋白质折叠方面的有用的通则持有疑问，因为他的原理的基础只建立在氧输运蛋白质肌红蛋白这个单一的例子之上。倾尽这些原理的全部力量，仍然弄不清楚神经网络是否能真正地模拟神经系统。“我们仍然不知道它们与生命有多大程度的关系”，史蒂文斯说。

弗劳恩费尔德并没有被上述令人关切的事情所干扰，因为他对肌红蛋白很感兴趣，认为可通过它来研究复杂物质的行为。他喜欢引用曾经协助研制氢弹的数学家斯坦尼斯劳 · 乌拉姆（Stanislaw Ulam）所说过的一句话：“不要问物理学对生物学有什么作用，而应问生物学对物理学有什么作用。”

然而，霍普菲尔德等人提出，目前正在涉足分子生物学领域的物理学家急需静下心来与他们的新同行就什么是重要的问题达成一致。“物理学中不存在‘功能’一词，但物理学家们正打算对此进行学习，”霍普菲尔德说，“否则他们将被自己淘汰出局。”

奥纳奇克认为关键是要让年轻的物理学家们置身于生物学氛围中。加利福尼亚大学圣迭戈分校理论生物物理中心的博士后研究人员同时在生物学与物理学两个学科接受训练，在两个实验室——一个生物实验室和一个物理实验室开展研究工作。他们参加生物学与物理学两类学术会议，同时学习两个学科的工作语言和思维方法。“他们沉浸在两种研究领域的氛围之中，”奥纳奇克说，“他们对专业词汇和学术刊物感到得心应手，同时在两个实验室工作比学习任何课程更重要。”

时间将证明新一代生物物理学家能否避免成为生物学中的孤家寡人。然而，从目前来看，前景是光明的。“我们以前一直被看作是分子生物学领域中的怪异而多余的人，”奥纳奇克说，“但我们从来没有放弃努力，我们现在正变得大受欢迎。”

[Nature，2002年9月19日]