紅細(xì)胞的雙凹碟形

▲紅細(xì)胞

作為液晶顯示物理學(xué)家，黑爾弗里希同時在研究生物膜，尤其是紅細(xì)胞的形狀方面有重大貢獻(xiàn)。這體現(xiàn)著物理學(xué)與生物學(xué)交叉的創(chuàng)新點(diǎn)不僅僅是研究生物系統(tǒng)的物理現(xiàn)象，而是用物理學(xué)的方法去解決生物學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)與長期解決不了的難題。這樣的難題在紅細(xì)胞身上就有好幾個，如它們?yōu)槭裁闯尸F(xiàn)規(guī)則的雙凹碟形狀？在血液里它們?yōu)槭裁床徽尺B在一起？

對第一個問題，自然主義的功能學(xué)派認(rèn)為，雙凹碟形（而不是球形）保證紅細(xì)胞有很強(qiáng)的形變能力，穿入比其半徑小很多的毛細(xì)血管以到達(dá)血液循環(huán)系統(tǒng)。黑爾弗里希則不滿足于這種“需要則存在”的功能說，他把脂雙層膜與彎曲的液晶層聯(lián)系在一起，于1973年提出生物膜的彈性自由能概念，并于1976年用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)證明，雙凹碟形是使生物膜彈性自由能達(dá)到最小的一種狀態(tài)。這個問題也給筆者提供過機(jī)遇，1987年，筆者與黑爾弗里希從生物膜彈性自由能導(dǎo)出過一個相當(dāng)復(fù)雜的曲面方程，1993年筆者與日本合作者從這個方程出發(fā)，發(fā)現(xiàn)一個由對數(shù)與正弦函數(shù)構(gòu)成的解析解，其形狀正是紅細(xì)胞的雙凹碟形狀。

第二個問題涉及生物學(xué)中一項(xiàng)極為重要的課題——細(xì)胞間的接觸問題。黑爾弗里希研究一堆平行生物膜的熱漲落，從玻爾茲曼能量均分定理證明膜與膜之間存在著與距離3次方成反比的熱斥力。正是這種漲落引起的斥力，抵消了膜與膜之間的范德華力（也是與距離3次方成反比），這才使細(xì)胞不會粘連在一起，保證了生命系統(tǒng)的有序性。

紅細(xì)胞形狀的發(fā)現(xiàn)已有200年歷史，到了近20年才出現(xiàn)一個完整的解釋，這還是靠“軟物質(zhì)”才獲得的。黑爾弗里希紅血球理論也是到了20世紀(jì)90年代才被美國的分子生物學(xué)教科書載入。這還算是幸運(yùn)的，由于傳統(tǒng)的隔閡，生物學(xué)家對于物理學(xué)家用數(shù)學(xué)描述生物系統(tǒng)常持懷疑態(tài)度，因此歷史記載了許多令人沮喪的事例。許多熱情的物理學(xué)家解決了一些生物學(xué)問題，但卻發(fā)現(xiàn)生物學(xué)家對此十分漠然。這種阻礙學(xué)科交叉的障礙如此嚴(yán)重，不得不令對生物學(xué)熱心的物理學(xué)家開辟自己的學(xué)科交叉領(lǐng)域與發(fā)表相關(guān)論文的園地，這也是上面提到的開設(shè)新物理雜志的新專欄的原因。

“軟物質(zhì)”或“軟凝聚態(tài)”是物理學(xué)家自行開發(fā)的新領(lǐng)域與新方向。值得慶幸的是在世紀(jì)之交，從決策者到科研教育機(jī)構(gòu)都相當(dāng)愿意去克服那些曾經(jīng)阻礙學(xué)科交叉的障礙。

事實(shí)上，對生物學(xué)熱心的，不僅僅是物理學(xué)家與化學(xué)家，數(shù)學(xué)家對由生物膜形狀方程提出的數(shù)學(xué)問題已開始表現(xiàn)出極大的興趣，在中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)所、香港中文大學(xué)數(shù)學(xué)系與北京大學(xué)數(shù)學(xué)系，已有青年研究人員從事這類問題的研究。軟物質(zhì)的確也為數(shù)學(xué)家開創(chuàng)了一片新天地。