上帝粒子,微观世界的晶体

类似地球的太阳系外行星的大气中的光谱可能暗示在生命的存在(Thomas Porostocky/Nature)

一切复杂源于简单,自然界中的无机矿物质与有机分子的相互作用可以生成层次分明的高功能化材料,实验室中晶体的“花瓶、茎叶和花朵”也由此而生。

关键成分:左旋多巴

第一个尝试解答贻贝粘着之谜的人是赫伯特·韦特(Herbert Waite)。他在上世纪七十年代时,还是美国哈佛大学的研究生。他从那时起开始收集康乃狄克州海岸线上的贻贝,然后把它们带回实验室进行研究。他分析了贻贝那些“粘性线状物”——也就是“足丝”——的化学组成。贻贝就是依靠这些足丝,把自己固定在岩石上的。

贻贝会通过某种类似于注塑生产的生理过程,制造出像头发一样纤细的足丝。它们强健的足部会生出沟渠,而它们会把液态的蛋白质挤压到沟渠里,只需几秒钟时间,就能形成一条稳固的线状物。每条线状物的端点上都有一个粘性的“软垫”,可以牢牢地吸附在岩石上,或者其他任何贻贝想要贴附的坚硬表面上。

图片 1贻贝的足丝(不是丝足)。图片来自:springerimages.com

韦特把足丝、粘性软垫和生产它们的腺体里的蛋白质链条破坏,仔细进行观察。在这三种结构里,他都能找到同一种罕见的氨基酸——“左旋多巴”(L-dopa,或称为3,4-二羟苯丙氨酸)。植物可以制造这种分子,人体也可以制造它。它是神经递质多巴胺的前体,因此也被用于治疗帕金森氏症。

韦特的研究发现,左旋多巴也正是贻贝之所以能粘着在岩石上的原因。

左旋多巴分子的关键结构,是邻苯二酚侧链,它是由一个苯环和连接在苯环上的两个羟基组成的。而这些羟基会和岩石、船壳以及任何贻贝试图贴附的东西结合在一起。

图片 2左旋多巴,左边的邻苯二酚结构是贻贝粘附的关键。图片来自:wikipedia

继韦特的发现之后,其他科学家也陆续发现了许多种不同的贻贝“胶水”。它们都含有左旋多巴。现在这些物质被统称为“贻贝粘着蛋白”(mussel adhesive proteins),简称MAPs。

捕捉引力波动

斯科特 · 雷森孩子似的劲头与他正从事的项目似乎有些不相符,他的研究可能要等上十来年时间才能初见端倪。雷森是美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory in )的天文学家,在谈到脉冲星这种星系中最精准的天然钟表时,他嘴里蹦出一连串的 “太棒了”、“酷毙了” 这样的词来,说它如何让探测作为爱因斯坦广义相对论最基本预言的 引力波 成为可能, “这将为我们的宇宙打开一扇全新的窗口,” 他嚷嚷着, “除了光之眼我们还有质量之眼。”

雷森对此做了一番讲解,按照爱因斯坦的广义相对论,引力波是由质量运动引起的时空结构的涟漪,比如说一对互相绕转的 中子星 就能产生引力波。雷森说,这就像抖动一个电子会让电子周围的电场和磁场以光及其它形式的辐射向周围传播一样, “当你抖动某个有质量物体,你就制造出了引力波。”

不过,令人沮丧的是,就算一列非常强的引力波横扫过地球,也只会让地球直径收缩或扩张不到 10 个纳米(nm, 10-9 米)。因此,诸如激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, LIGO,由帕萨迪纳的加州理工和剑桥市的麻省理工共同负责)这样、试图探测此类微小变化的地基(ground-based)实验,将永远无法摆脱来自背景噪声的干扰,路过的卡车、雷暴甚至千里之外海滩上起伏的海浪都会淹没真实的引力波信号。

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脉冲星计时的微妙变化可能暗示着巨大的引力波的存在(Thomas Porostocky/Nature )

这正是雷森和同事如此热衷于该项目的原因,他们希望自己能独辟蹊径:仰望脉冲星。 脉冲星 是密度极大的天体,有些脉冲星每秒能自转数千次,每次转动都向外辐射出一道脉冲闪光,天文学家对脉冲时间的测量能确定到大约 100 纳秒之内。雷森小组打算探测分布在全天的约 20 个此类脉冲星,试图寻找由于甚低频(VLF,指频带由 3 ~ 30 KHz 的无线电波)引力波扰动脉冲星和地球之间时空所导致的脉冲时间偏移。他们期望能以此探测到一些最强引力波源所产生的引力波,如宇宙深处大质量黑洞数年一周的转动,或者是相互碰撞的星系。

还有十来个人也与雷森一样,献身于这项由国际脉冲星记时阵列协会(International Pulsar Timing Array consortium)负责协调的计划。好消息是他们无须发明任何新的设备,像波多黎各的阿雷西博射电望远镜就可担此任。坏消息是要持续观测大约 10 年才能捕捉到来自互绕黑洞的引力波,目前他们只对 6 颗脉冲星进行了连续 5 年的准确计时测量。

不过雷森仍旧充满信心,他说,

我们的成功机会是真正的与日俱增,这很酷,只要耐心等待,引力波终将到来。

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从贻贝到生物胶水

在贻贝粘着蛋白研究领域,最激动人心的问题是:我们怎么才能把这些分子用于人类世界?这也促使科学家们做了很多围绕贻贝进行的研究。科学家们不仅在贻贝的启发下发明了好几种“贻贝胶水”,还由此研发出了一种富含邻苯二酚、能够自愈的聚合物。

科学家合成的“贻贝胶水”,其中也富含左旋多巴或者其他带有邻苯二酚结构的化合物。它们被开发成手术工具,用于治疗疾病。这其中一个很有前景的应用,就是在产前对胎儿进行手术(注:这种手术的目的是治疗某些发育缺陷)。对胎儿进行手术一直是一个巨大的挑战,因为包裹他们的胎膜特别脆弱,难以缝合。但是在贻贝胶水的帮助下,手术就容易多了。贻贝胶水在潮湿环境中依然能发挥它的粘着力,也不会引发难以解决的免疫反应(更多阅读:Mussel Glue Could Help Repair Birth Defects)。 

防水胶水还能协助治疗动脉板块。在治疗斑块造成的血管狭窄时,医生常会通过球囊和支架来扩张血管,支架还会包裹上抑制血管内皮增生的药物。不过当它们被安置到位时,释放出的药物至少有95%都会被血流冲走。而采用特殊的生物胶水把药物“粘住”,就可以大大减少药物的浪费,并延长支架的使用时间。

赫伯特•韦特实验室的研究者们不仅在贻贝的启发下发明了好几种“贻贝胶水”,他们还开发出了一种富含邻苯二酚、能够自愈的聚合物。它的潜在应用包括制造人工膝盖和髋关节,这样几乎不需要额外的手术就能维持正常。 

贻贝胶水还有另外一个可能的应用,不过这就有点违反直觉了。

现代海运行业面临的一大问题是,他们的船体上会附着越来越多的不速之客,包括贻贝、海藻、藤壶和其他有壳生物。这一现象被称为“生物淤积”,它会增加阻力,让油费飙升。过去人们常使用有毒化合物(三丁基锡,TBT)来防止淤积,但是如果有毒物质进入环境,就会带来严重的生态问题,所以现在全世界都禁止使用这种物质。 

而生物胶水给我们指出了另一条解决之道。我们或许可以用它把其他危害性较小的抗淤积物质紧紧粘在船体底部,由此就能避免造成环境污染。现在,科学家们已经揭开了贻贝的粘着之谜,或许我们可以反过头来,利用防水胶水来防止贻贝粘着了。 (编辑:窗敲雨)

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文章题图:Noorduin et al.

 

图片 5 附着在岩石上的贻贝。 图片来自: wikipedia

看穿分子魔镜

生物学中存在着非常严重的不平等。很多分子具有 “手性”(chiral),这意味着分子中的原子存在两种互为镜像(mirror image)的排列方式。当化学家在实验室中合成此类分子时,往往得到的都是包含两种手性的混合物,为简单起见它们被命名为左手征(left-handed)分子和右手征(right-handed)分子。奇怪的是,生物细胞通常只由左手征分子构成,没人知道这其中的缘故。

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镜像分子的在能量水平上微小差异可能预示着弱相互作用的对称性破缺(Thomas Porostocky/Nature )

可能的解释之一认为,原因在于自然界中的基本力(elemental force)。根据 粒子物理学的标准模型 预言,自然界中存在 4 种基本力,其中 弱力 是核子和电子间相互作用的传递者。据信,正是弱力对左手征和右手征分子的作用不对称,而包括引力在内的其它 3 种基本力对两种手征而言都是对称的。

巴黎大学的伯努瓦 · 达尔基耶(Benoît Darquié)解释说,理论上,弱力会导致手性分子一种手征结构的能态(energy state)比它的镜像手征结构要差上微乎其微的那么一丁点,大约是 1/ 1015 ~ 1/ 1020 。结果是,假设左手征分子的振动频率是 30 THz( 1012 Hz),那作为其镜像的右手征分子的振动频率会差上几毫赫兹(mHz, 10-3 Hz)甚至几微赫兹(μHz, 10-6 Hz)。

对两种手征分子间如此微小差异的测量将为破解生物偏好左手征之谜带来一线曙光,达尔基耶如是说,而他的小组也正付诸努力。这样的测量甚至能为标准模型中弱力理论部分提供某些参数的准确取值。

据达尔基耶所知,他和他的同事是目前世界上唯一进行此项尝试的团队。实际上,他花了 3 年时间来网罗所需的试验物理学家、量子理论专家和化学家。

他们现在需要攻克两个难题,首先是建造一台极高分辨率的光谱仪,用于测量手性分子的能态。达尔基耶小组拥有的最好的设备能探察 5 / 1014 的能量差别,这大约比普通光谱仪的分辨能力要好 100 万倍。眼下他们正在建造一台精度更甚于此的仪器,要达到如此高的精度,仪器必须隔绝所有的外部振动并且保证温度波动不超过 0.1 ℃。不仅如此,为了在所需精度上测量分子振动的频率,达尔基耶的实验室还使用了一台分子钟,并通过光纤与巴黎的世界时标准原子钟保持同步。

研究者面临的第二个挑战是合成出一种手征非对称效应足够明显的测试分子。这种分子需要有一个较大的中心原子,因为原子理论告诉我们大的中心原子能将手征结构造成的能量差异最大化。同时,这种分子在被加热到气态去拍摄光谱时还不能轻易破裂。

达尔基耶小组猜测最佳的选择是类似用一个硫原子和一个硒原子置换甲基三氧化铼(化学式: CH3O3Re )中的两个氧原子之后的产物,尽管要制造出纯左手征和右手征的此类分子并非易事一桩。不过即便最后能找到一种完美的测试分子,研究者还需要一年时间才能积累到足够的测量数据来达到一定信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)以便获得可信的结果。

要是实验结果没能解开生物手征谜团的话,达尔基耶说他也不会在意,因为他们发展出的技术将为检验基本物理理论开辟很多新的方向。

达尔基耶:通常对理论最准确的检验,要么发生在高能的粒子物理中,要么发生在低能的原子物理中,而分子更复杂,所以能解决更复杂的问题。

从自然界中获取灵感

“晶体玫瑰的最初创意来自于我当时读的一本书,菲利普·鲍尔(Philip Ball)的《自然界中的图案生成》(Pattern Formation in Nature)。”诺度因告诉果壳网,“这本书描述了自然系统和人工系统中图案可以怎样生成,以及敏感的环境如何控制图案的生成。书中这些图案形成的过程让我开始思考:是否存在这样一种系统,可以把图案冻结成固态的,并且图案在生长过程中保持可控?”

图片 7菲利普·鲍尔的这本书激发了诺度因尝试制作晶体花卉的灵感。图片来源:nhbs.com

“在自己一手创造的微观世界里畅游并陶醉在其中是非常有趣的经历!”诺度因告诉果壳网,“一开始我主要是想找到控制不同微观形状形成的方法。然而,当我掌握了构建不同形状和图案库的方法之后,我就对构建出更多既复杂又好看的形状完全上瘾了。”

(伏维阁主/译)贻贝一生中的绝大部分时候,都并不令人神往。这些拥有成对贝壳的软体动物,是“法式青口”的主要材料。它们大半生都粘附在岩石上,通过过滤流经的海水来获取食物。但有些科学家却愿意花费多年时间来研究这些“简单”的生物,仔细观察它们静态的生活方式,探究它们身上最大的秘密:就算周围不断有水流冲击,贻贝也总是能牢牢地贴在湿润的、滑溜溜的岩石上,它们是怎么做到的?

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