理工女科普｜解答生命之谜的生物物理学
“现有的物理和化学知识不足以解释生物学现象，但没有理由相信后者不被这两门学科所规范。”——埃尔温·薛定谔《生命是什么》（What is Life，1944）
文 / Eve
生物物理学，顾名思义，就是利用物理理论和研究方法来理解各种生物现象。它所研究的内容小至细胞层面的生物学过程，大至动物的群体行为，是一个很难一概而论的领域。举两个例子：
其一，我们常会看到一群群禽鸟在天空飞过。群体行动有一定的好处，例如可以降低被单独行动的猎食者攻击的机会。2014 年，科学家们用 3D 摄影机观察罗马上空的一个椋鸟 (starlings) 群，并用统计力学的方法量化椋鸟之间的互动（也就是把每只雀鸟当作一颗“粒子”）。结果发现，一只椋鸟改变飞行方向的时候，会影响到特定数量（而非特定距离内 ）的同伴。也就是说，无论椋鸟群有多大，其中某一个成员的决定（例如为了躲避猎食者而改变飞行方向），很快就会传达到整个群体。[1]
其二，某些种类的细菌共同生活在同一个空间的时候，会通过扩散过程 (diffusion) 向周围释放养分，互惠互利。不过，如果两者分享养分的速率不平衡，长远下去，获取养分较慢的细菌将会完全消亡。扩散本身是一个物理过程，早在十九世纪就已经被充分研究了；但应用扩散理论来理解生物学现象，仍然是一个新的领域。[2]
一些理科出身的读者或许会认为，物理和生物的结合是意料之中的事。毕竟，物理是对自然世界最基本的描述：一切物质均由原子组成，而原子层面的现象可以由量子力学来解释。不过，如果说量子力学效应是某些生物学现象不可缺少的一环，你是否会觉得惊讶呢？
这听起来似乎是很荒谬的。量子效应只有在原子量级的微观层面上才变得显著，而生物即使小如细菌也是由数以亿计的原子组成的，属于更适用统计力学的宏观层面。但在最近这几年，科学家们在尝试解释候鸟如何感应地球磁场时，发现”量子纠缠”(quantum entanglement) 是一个可行的答案 [3]。同样地，对光合作用的准确描述也需要用到量子力学。
篇幅有限，而生物物理学的有趣之处实在一言难尽。不过，在结束前我想提出一个很重要的问题：既然一切物质——无论是猫猫狗狗还是沙滩上的石头——都是由遵守物理定律的原子组成，那么为什么猫狗有“生命”而石头却没有呢？ 我们人类是能够意识到自身存在的生命体，这背后又有没有物理基础呢？
面对生命之谜，聪明的你难道没有怦然心动吗？
参考资料
作者简介
Eve, 香港人，现为英国爱丁堡大学理论物理硕士生
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