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物理大唔嗮,生物踩過界:what is biophysics?

2015/6/27 — 9:00

小小的知更鳥 (European robin) 也會懂得量子力學嗎?圖片來源:Wikimedia Commons

小小的知更鳥 (European robin) 也會懂得量子力學嗎?圖片來源:Wikimedia Commons

雖然物理、化學、生物被分成三科,但其實它們是環環相扣的:量子力學解釋了化學鍵的本質,而化學是一切生物學過程如光合作用的基礎。不過,原來生物物理學 (biophysics) 早已成為獨當一面的領域,而相關研究也許會解開一個自古以來的謎團:何謂生命?

生物物理學,顧名思義,就是利用物理理論和研究方法來了解各種生物。它所描述的涵蓋從細胞到群居動物,所以是一個跨學科的大領域,難以一概而論。舉兩個例子:

我們不時都會看到一群群的禽鳥在天空飛過;群體行動的好處,例如有減少被單獨行動的獵食者攻擊和擊中的機會。在 2014 年,科學家以 3D 攝影機觀察羅馬上空的一個椋鳥 (starlings) 群,並用統計力學的方法量化椋鳥之間的互動(也就是把每隻雀鳥當作一顆「粒子」),結果發現一隻椋鳥改變飛行方向的時候,會影響到某特定數量——而非特定距離內 --- 的同伴。意思就是,無論椋鳥群有多大,一個成員的決定(例如為了避開獵食者),很快就會傳達到整個群體。[1]

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某些組合的細菌生活在同一個空間的時候,會透過擴散過程 (diffusion) 向周圍散發養分,互惠互利。不過,根據電腦模型預測,如果兩者分享養分的速率不平衡,長遠下去分享較慢的細菌將會完全消失。而擴散當然是一個物理過程,早在十九世紀就已經被充分了解 [2]

一些理科出身的讀者或會認為,物理和生物的結合是意料之中的事。畢竟,物理是對自然世界最基本的描述:一切物質由原子組成,而原子遵守量子力學定律;有興趣詳見余海峯的《你也能懂量子力學》。不過,如果說量子力學效應是某些生物學現象不可缺少的一環,那又如何呢?

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我承認,這聽起來是很荒謬的。量子效應在原子世界才變得顯著,而生物即使小如細菌也是由數以億計的原子組成的。但在最近這幾年,科學家們在嘗試解釋知更鳥怎樣探測和利用地球磁場「導航」時,發現「量子糾纏 (quantum entanglement) 」是一個可行的答案 [3]。我會在下一篇文章較深入地探討這個假設。同樣地,對光合作用的準確描述也可能需要用到量子力學。

篇幅有限,而生物物理學的有趣之處實在一言難盡。不過,在結束前我想提出一個很重要很重要的問題:既然一切物質 --- 無論是貓狗或沙灘上面的石頭 --- 都是由遵守物理定律的原子組成,那麼為什麼貓狗有「生命」而石頭沒有呢? 我們人類是能夠意識到自身存在的生命體,這背後又有沒有物理基礎呢?

不厭其煩地再說一遍,也許量子力學會為我們揭示答案。下次見。

引用資料:

[1] “Birds flock with scale invariance”, Physics World  (2010).

[2] “Synopsis: Microbes Share, But Not Too Much”, Physics (2015).

[3] “The Physics of Diving Gannets, Bird Navigation, and Speedy Tiger Beetles”, Scientific American (2015)

原刊於作者博客

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