生物定量理论研究对物理学与应用数学的挑战

作者: 翁羽翔

来源: 《物理》

发布日期: 2015-02-06 16:33:21

2014年1月9日,《物理》编辑部组织的Mind Concert Academic Salon活动在物理所M楼的咖啡厅举行,欧阳颀院士做了关于生物定量理论研究对物理学与应用数学挑战的报告。报告中介绍了系统生物学和合成生物学的研究进展,并引发了与会者的热烈讨论。讨论内容涉及生物学的规律、复杂方程的意义、物理规律的分类、生命系统的复杂性等多个方面。

把简单的事情复杂化叫文化,把复杂的事情简单化是效率。

2014年1月9日,《物理》编辑部组织的Mind Concert Academic Salon活动在物理所M楼的咖啡厅举行,第一次主题报告的报告人是北京大学物理学院、北京大学理论生物中心的欧阳颀院士。欧阳老师早年以研究非线性化学反应中的图灵斑图以及螺旋波而著名,后来其研究以非线性动力学为核心,以物理为基础,逐渐将研究方向延伸到系统生物学、合成生物学、定量生物学,形成了物理与生物学交叉的研究风格。

他报告的题目是“生物定量理论研究对物理学与应用数学的挑战”。欧阳老师报告的第一部分介绍了他们在系统生物学方面的研究进展,即用非线性动力学的理论来解释生物系统。他们的工作,就是研究这些关系。其中具有挑战性的问题是,平均场方法对于研究系统包含大量参与者,是一种十分有效的物理统计和数学手段,而该方法不适用于某些特殊的复杂生物体系,比如生物中偏离平均场分布而服从幂率分布的系统。

因此有必要发展新的数学物理方法。

另一方面的内容是他们最近所做的合成生物学方面的研究。这门学科从工程角度来讲,就是创造一个新的东西来为人类服务;从科学角度来讲,就是在创造的过程中,进一步了解生物系统。他们在这方面所做的工作是要给一个生物创造它本身没有的功能,或者把这个生物没有、而别的生物有的功能转移给它。

欧阳颀老师的报告引起了与会者的极大兴趣,也引发了热烈的讨论。为了尽量保持讨论的原貌,笔者不打算考证其中引用事实的可靠性和精确性,请读者将下列文字材料当作随意漫谈,而不应将其当作公开报道的事实加以引用。

1. 目前生物学的规律还不太清楚,可以从简单的生物学问题着手,也可以进行复杂的研究,因为要找到规律。

2. 那么复杂的方程,即使解了,也没有什么意义,方程跟生物的实际情况差得很远。

3. 写出来三页纸的方程只是看看,你可以得到任何你想要的结果,因为有发散的参数,把方程改成半页纸,1/4页纸,参数很少才有用。

4. 方程还是有价值的,不在于细节的描述,在于理解的过程,其描述的一些现象,你可以用实验去验证。

5. 可以建立柔性方程。经过统计计算,可以发现重要参数和不重要参数,约化一些不重要参数,利用少数等效参数代替繁杂的冗余参数。

6. 我目前在研究城市的人口分布,所以对复杂系统的幂级数比较感兴趣。

7. 物理规律有两种,一种是非常微观的,动力学确定的,包括经典的牛顿力学以及量子力学;还有一种是统计规律,是热力学与统计物理。

8. 你利用下一层次的知识可以去理解一些上一层面的事物,但是你不要指望能够解决所有遇到的问题。

9. 可能大家认为电子学用的最多是晶体管,但是现代电子学最重要的是数字化。

10. 集成生物学由最基本的生物体元素组成,但我们对最基本的元素并不了解。

11. 对于电子器件,可以做到单向性的传导,信息是单向的或者双向的。生物学很难做到这一点。

12. 生物物理学的目标是什么?

13. 现在的绿色能源、生物物质、生物燃料、生物医药、生物武器等,这些都是以生命规律为基础,设计一个器件,有可预测性。

14. 能量、信息,大家都知道是什么意思,从物理的角度说,生命到底是什么意思?

15. 生命是基于遗传信息、蛋白质为基础,有活性信息的个体。

16. 活性又是什么意思?

17. 历史上有大物理学家努力试图去解答这个问题,薛定谔1943年把在都柏林的几个讲座凑在一起出版的一个小册子“What is life”,薛定谔不是生物学家,这本书有点形而上的思考,但是这个思考影响很大。

18. 生物是物质化的东西,最终还是要还原到物质控制的层面上,并能够反过来改造生物。

19. 另外,我觉得时间问题在生命系统中很关键。

20. 不一定是逆转。杭州有一个女大夫,提出了肝体外循环的概念。

21. 物理学家可以为生物学家做点什么?比较典型的就是同步辐射技术的应用,同步辐射光源对于生物学家解蛋白质结构非常重要。

22. 能量可测,怎么测我们知道;信息可测,怎么测我们知道;这个生命怎么测?

23. 现在信息是有能量的,擦除一个字节信息的能量大概在10-21J,非常小。

24. 听完报告,觉得做生物的人目标太庞大,一次就想解决十个问题。

25. 将微电子工程和生物体进行类比恐怕是不恰当的,因为微电子工程制作的大规模集成电路尽管很复杂,但是其中每一个元件的作用及其集成过程都是清楚的、确定的,也就是构效关系是确定的,所以是可以分层的。

26. 实际上生物学家和医学家也想把问题简单化,比如说他想做一个基因突变和癌症之间的关系,他想分层,但是分不下去,每种基因突变的原因不同,根本找不到规律,必须从一个系统层次上往下看才行。

27. 生命科学里边有非常根本的问题没有解决,也不知道怎么解决,但已有一些比较简单直接的层次,比如直接杀死癌细胞,大家也会做。

(来源:《物理》2015年第二期)

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