起初，ZvonimirDogic和學(xué)生選取了微管，并將其和驅(qū)動蛋白混在一起。前者是構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)部骨架一部分的絲狀蛋白，而后者是沿著這些“絲”穿行的馬達(dá)蛋白。隨后，研究人員讓這種“雞尾酒”的液滴懸浮在油上，并為其提供了名為三磷酸腺苷（ATP）的分子燃料。
令該團(tuán)隊(duì)驚奇和喜悅的是，這些分子自己組織形成了在每個液滴表面呈現(xiàn)出漩渦狀的大尺度模式。身為美國馬薩諸塞州布蘭戴斯大學(xué)物理學(xué)家的Dogic介紹說，被蛋白連接起來的一大捆微管共同移動，就像“音樂會上一個人被舉到頭頂傳來傳去”。
通過這些在2012年被發(fā)表的試驗(yàn)，Dogic團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種新的液態(tài)晶。和作為對電場響應(yīng)被動形成模式的標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)晶顯示中的分子不同，Dogic的成分非�；钴S。它們能自我驅(qū)動，從周圍環(huán)境，從ATP中攝取能量。同時，得益于獨(dú)立移動的上千個單元的集體行為，它們能自發(fā)形成模式。
這些是被物理學(xué)家稱為活性物的系統(tǒng)（過去幾年里已成為一個重要研究對象）的特點(diǎn)。自然界中這樣的例子不勝枚舉，包括沒有領(lǐng)頭者但能連續(xù)飛行的鳥群以及流動的、形成結(jié)構(gòu)的細(xì)胞骨架。它們被越來越多地在實(shí)驗(yàn)室中制造出來：研究人員利用諸如微管等生物學(xué)構(gòu)造和包括把燈打開時會形成結(jié)構(gòu)的微米級光敏塑性“游泳者”在內(nèi)的合成成分，合成了活性物。“活性物”一詞出現(xiàn)在標(biāo)題或摘要中，并且經(jīng)過同行評議的論文產(chǎn)出量從10年前的每年不到10篇增加到去年的近70篇。同時，去年陸續(xù)舉辦了一些關(guān)于該主題的國際研討會。
生物體的自我組織
所有已知生命形式都基于自我驅(qū)動的、聯(lián)合起來創(chuàng)建大尺度結(jié)構(gòu)和移動的實(shí)體物。如果這沒有發(fā)生，生物體將被限于利用諸如擴(kuò)散等緩慢很多且被動的過程移動細(xì)胞或組織內(nèi)的DNA和蛋白。同時，很多生命的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能可能永遠(yuǎn)不會進(jìn)化出來。幾十年來，生物學(xué)家和物理學(xué)家一直在推測生命物質(zhì)的普遍機(jī)制，但關(guān)于分子過程的研究主要集中在辨別令人眼花繚亂的大量相關(guān)分子上，而不是闡明它們自我組織的機(jī)制。于是，如今被稱為活性物研究的領(lǐng)域直到上世紀(jì)90年代中期才開始起步。
最有影響力的早期試驗(yàn)之一由當(dāng)時在普林斯頓大學(xué)任教、如今在洛克菲勒大學(xué)工作的生物物理學(xué)家StanislasLeibler帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開展。這是最早證實(shí)像生命一樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能自我組裝微管和一些蛋白的團(tuán)隊(duì)之一。差不多同時，匈牙利布達(dá)佩斯羅蘭大學(xué)理論生物物理學(xué)家TamásVicsek提出了一個頗具影響力的活性物模型。上世紀(jì)90年代初，Vicsek試圖解釋鳥群、細(xì)菌菌落和細(xì)胞骨架組件的集體運(yùn)動。
他從德國物理學(xué)家WernerHeisenberg在1928年發(fā)明的一個磁性材料模型中找到了起點(diǎn)。Heisenberg將每個原子想象成自由旋轉(zhuǎn)的條形磁鐵，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些原子磁鐵之間的相互作用使它們中的大多數(shù)排成一條直線時，大范圍磁性出現(xiàn)了。為解釋活性物，Vicsek用移動的“箭頭”代替這些微型磁鐵，而“箭頭”象征的顆粒物擁有同其“鄰居”的平均速度相一致的速度，盡管存在一定的隨機(jī)誤差。這就是如今所謂的Vicsek鳥群模型。他的模擬顯示，當(dāng)足夠多的“箭頭”被塞進(jìn)一個足夠小的空間中，它們開始以同人們所熟悉的鳥群和魚群移動極其相似的模式運(yùn)動。
1994年，聽了Vicsek關(guān)于此方面演講的JohnToner被這一觀點(diǎn)吸引。如今在俄勒岡大學(xué)工作的Toner認(rèn)為，Vicsek成群移動的“箭頭”能被建模為連續(xù)流體。他利用描述從茶壺到海洋等所有物體中液體流動的流體動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)方程，將其進(jìn)行改進(jìn)，以便解釋單個顆粒物是如何利用能量的。Toner的流體模型和Vicsek的離散粒子模型就一系列現(xiàn)象給出了基本相同的預(yù)測，并且?guī)砹嘶钚晕锬M“家庭作坊”的興起。
這里面僅有一個問題。法國巴黎高等師范學(xué)校物理學(xué)家DenisBartolo表示，雖然模擬的活性物數(shù)量飆升，“但定量試驗(yàn)的數(shù)量沒變，并且?guī)缀踅咏诹恪�。�?shí)際工作頗具挑戰(zhàn)：沒有人想利用1萬只鳥或1萬條魚開展控制試驗(yàn)。在微觀尺度上，極少有科學(xué)家同時熟悉必需的理論工作和提純分子組分所需的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。
理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合
直到本世紀(jì)初，理論和實(shí)驗(yàn)部分才開始結(jié)合起來。慕尼黑工業(yè)大學(xué)物理學(xué)家AndreasBausch領(lǐng)導(dǎo)了最早的精確定量試驗(yàn)之一。他和同事將肌動蛋白和肌球蛋白混合在一起??前者是形成復(fù)雜細(xì)胞中大部分骨架的“細(xì)絲”，而后者是在肌動蛋白上“行走”并且使肌肉收縮的分子馬達(dá)。研究人員加入肌球蛋白的天然燃料??ATP，然后將混合物放在顯微鏡載片上并且進(jìn)行觀察。在較低濃度下，肌動蛋白“細(xì)絲”四處游蕩，沒有出現(xiàn)可以辨別的順序。但在較高密度下，它們形成了跳動的簇群、漩渦和環(huán)狀物。Bausch和同事隨機(jī)識別并量化了Vicsek和其他人曾預(yù)測的相變類型。他們在2010年發(fā)表的文章幫助刺激了實(shí)驗(yàn)性活性物領(lǐng)域的興起。
緊隨其后的研究還有Dogic在2012年開展的微管實(shí)驗(yàn)。他利用了另一種“行走”的蛋白??驅(qū)動蛋白。由此獲得的模式比Bausch見到的更加復(fù)雜和有活力：流動的微管像移動中的指紋螺紋。Dogic和團(tuán)隊(duì)成員還注意到，這種流動形成的有序排列偶爾會破裂并產(chǎn)生“缺陷”：像南北極經(jīng)線交會一樣的模式不連續(xù)性。這些“缺陷”非常有活力，像自我驅(qū)動的顆粒物一樣四處運(yùn)動。
當(dāng)時，沒有任何一種理論能解釋這種行為。2014年，Dogic和Bausch、雪城大學(xué)物理學(xué)家CristinaMarchetti合作，從缺陷移動而非單個晶體組件的角度描述了活性液態(tài)晶在球形小泡上旋轉(zhuǎn)的行為。同時，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可通過調(diào)整小泡的直徑和表面張力，改變?nèi)毕莸倪\(yùn)動。這為控制活性晶體提供了一種可能的方法。
領(lǐng)域融合提升接受度
一些生物學(xué)家希望，此類研究將揭示控制細(xì)胞如何分裂、成形或運(yùn)動的基本原理�！斑@就像達(dá)爾文出現(xiàn)前的林奈分類法�！瘪R克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所生物學(xué)家TonyHyman表示，“我們已獲得所有這些分子，就像他們擁有了所有物種，而我們需要將一些順序和邏輯加進(jìn)去�！盚yman認(rèn)為，活性物能提供這種邏輯。
不過，即便是狂熱者也承認(rèn)，主流生物學(xué)家可能需要被說服。“起初，我們的很多論文都被拒掉�！盚yman說，部分原因在于手稿中運(yùn)用了大量數(shù)學(xué)知識，使其很難找到評審者。耶魯大學(xué)分子生物物理學(xué)家JonathonHoward則認(rèn)為，即使是“活性物”一詞，可能都會有礙交流�！八悬c(diǎn)像物理學(xué)術(shù)語�！�
不過，Howard和Hyman仍希望，隨著領(lǐng)域之間的融合不斷增加，接受度將有所提升。Hyman說：“我認(rèn)為，即將出現(xiàn)的新一代生物學(xué)家從一開始便會獲得物理學(xué)方面的培訓(xùn)�！�
德累斯頓工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)家StephanGrill認(rèn)為，這是好事，因?yàn)榛钚晕镅芯康倪M(jìn)步需要處于物理學(xué)和生物學(xué)研究前沿的科學(xué)家。“最終的寶藏位于交界處，但你不得不將這兩個領(lǐng)域推向它們的極限�！�
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