物理学终究需要理解生命现象，最著名的是薛定谔《生命是什么》的著名演说，据说是催生了DNA为遗传物质的发现。用物理方法和手段研究生命现象比较成功的一个领域是自组织，至少对许多神秘现象，如蜜蜂、鱼群和细菌群等进行理论描述和分析。当然分子基础可能仍然需要用化学来解释。

马萨诸塞州布兰代斯大学的物理学家Zvonimir Dogic和他的学生把细胞内部骨架微管蛋白、驱动蛋白和马达蛋白混合在一起，加入三磷酸腺苷，让他们惊喜的是，这些分子在每个液滴表面有组织地聚合起来，大量微管被蛋白连接在一起，好像是有组织的团队。

Dogic小组2012年发表了他们的文章，题目是“一种新型液晶”。与标准的液晶不同，这种液晶中分子在电场中可以被动形成，从环境中获得能量，这里是ATP，成千上万个单位自发运动形成有规则结构。

活性物质、软物质或称软凝聚态物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质。它的基本特性是对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等。软物质在介观尺度（约10-10000nm）范围内，通过相互作用可形成从简单的时空有序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。软物质一般由大分子或基团组成，如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命物质等，在自然界、生命体、日常生活中广泛存在。构成生物体的物质大多为软物质，如细胞、蛋白质、DNA等。这一领域已经逐渐成为国际研究热点。

科学家希望这种研究将帮助他们建立一个关于软物质的完整的定量理论。这种建立在百年前统计力学理论基础上的物理理论，可对原子和分子运动如何形成热量、温度和压力等日常现象解释，并进一步对细胞移动、变形和分裂等生物过程进行解释。

印度海得拉巴跨学科科学中心塔塔研究所物理学家Sriram Ramaswamy说，这种理论将从过去没有生命的颗粒研究转入对有生命的颗粒的理论力学和统计学研究。

要达到这一目标可能需要一段时间，实验学家才刚刚开始在实验室里开展这类物质的控制研究。即使最热情的支持者也同意，目前仍然没有对细胞内成分到鸟类的行为进行描述的理论。如果真的存在这样一个理论，主流生物学家仍然无法理解其价值。耶鲁大学分子生物物理学家Jonathon Howard说，对生物学家来说，活的是活动的是理所当然的，但仅此而已。但是这并不能阻止支持者各种想象的应用，例如自我组装的人工组织、微流控设备和新的仿生材料等。研究人员承认这些都是理论上的，距离实际应用为时还早，但是开展这一领域的研究仍然非常值得。

所有生命形式是基于自组织驱动的大规模结构和运动，如果不是自组织，生物体只依靠有限缓慢的自然扩散，根本不可能实现细胞内外的DNA和蛋白质的定向高速移动，更谈不上许多复杂结构和功能的进化。几十年来生物学家和物理学家一直推测活性物质的一般工作原则，但对细胞过程研究都集中在确定让人眼花缭乱的分子上，对这些分子的自组织原则研究甚少。1990年代中期，关于活性物质的研究才真正开始。

早期一个最有影响力的实验是由新泽西州普林斯顿大学生物物理学家Stanislas Leibler团队完成的，他们是最早发现微管蛋白在少数蛋白和ATP协助下显示出复杂生命结构现象。大约同一时间布达佩斯罗兰大学理论生物物理学家Tamas Vicsek提出一个有影响力的理论模型。1990年代早期，Vicsek试图对鸟群、细菌和细胞骨架成分的群体行为进行研究，他意识到没有现成的理论可用。居里研究所物理学家Jean-François Joanny说，这不是平衡统计力学从教科书中可以找到答案。

但是Vicsek发现1928年德国物理学家Werner Heisenberg利用磁性材料建立一个模型。Heisenberg想象每个原子是一个自由旋转小磁针，大量这些原子之间相互作用时可以表现出磁性。为解释活性物质，Vicsek用移动的箭头颗粒代替小磁针，这些颗粒大部分接近平均速度移动，现在这种模型被称为Vicsek植绒模型，他的模拟结果发现，当这些箭头颗粒密度足够大时，这些颗粒会出现非常接近鸟群和鱼群的运动模式（见图）。Vicsek在1995年的论文对这些上下走动的颗粒设计了模型，现在论文已经有3500次引用。

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聆听1994年的Vicsek一次报告后，物理学家John Toner被这个思路吸引，Toner现在俄勒冈大学工作，他看到Vicsek的集群箭头模型是模拟一种流动的液体。他用标准水动力学方程描述各种液体流动，如茶壶和海洋的水流，将这些颗粒如何使用能量进行修饰。Toner的液体模型和Vicsek离散粒子模型对大多数这类现象进行了根本预测，并推出一个简单的活性物质模型。一个问题是能模拟的颗粒数量非常有限，定量实验数量几乎没有，没有人希望可以控制超过1万只鱼和鸟，在显微尺度上，很少有科学家熟悉理论研究，只有物理学方面有一些论文，生物学实验室需要获得纯化的亚细胞结构单元。

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2005年后，实验和理论研究才开始合作，Bausch就领导了一项这类研究，他研究了肌动蛋白这种大多数细胞内的骨架分子，和能在肌动蛋白纤维上走动的分子马达肌凝蛋白混合。研究时加ATP在显微镜下观察。结果发现在非常低浓度时，肌动蛋白的活动是随机发生的，但是随着浓度增加，这些分子开始结合在一起，形成协同活动。Bausch等立刻意识到这正是Vicsek等理论所预测的一种现象。2010年他们发表了论文对这一现象进行了分析。2012年Dogic等的研究正是对Bausch等研究的跟踪，他们改用了另外一种蛋白质驱动蛋白，观察到更复杂的运动模式。这些漂浮的微管形成指纹状漩涡运动。他的团队还注意到这种能量流的有序排列偶尔会分解，这些分解也存在规律，像自我驱动的移动粒子。目前没有任何理论能解释这种现象，2014年，Dogic、Bausch和纽约物理学家Cristina Marchetti合作对这种现象进行了理论描述，认为是旋转球形液晶囊泡为单位的运动，不是单个晶体的运动。他们还发现，通过改变囊泡直径和表面张力可以调整这些运动行为。

这类研究将会超两方面发展，一是从应用角度，只要解决了人工制造简单稳定经济的材料，可以模拟这张工作方式解决一些工程和技术问题。另一是理论上，理解细胞和生命的各种活动基本机制。

http://www.nature.com/news/the-physics-of-life-1.19105

从物理学角度理解生命http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-948391.html