朗讀量子生物學不是山寨學科，它真的存在第量子生物學不是山寨學科，它真的存在

《量子生物學不是山寨學科，它真的存在》
中科院格致論道講壇中國科學院計算機網絡信息中心從理論上來說，重水的慢化效果更好。德國選擇了重水，但是碳是更容易獲得的，美國的第一個反應堆是由大科學家費米建造的，他用石墨作為慢化劑。於是故事的結局出現了，德國的反應堆一直到二戰結束都沒有達到臨界，也就是沒有工作。但是美國的反應堆很快達到了臨界，造出了原子彈。下面的歷史大家都知道了。我們應該感謝中子，讓我們現在生活在和平年代。如果德國第一個研制出原子彈，這個世界真的難以想象。
戰後我們九院（中國工程物理研究院）也研制出了原子彈和氫彈。大家有沒有聽說過中子彈？它其實也是一種核彈，但是和原子彈、氫彈不一樣的是，它能夠釋放出大量的中子，而不是各種放射性物質。這樣的好處是，它能夠把對建築和武器的破壞力減到非常小，但對生物的殺傷力非常強。中子彈所到之處，方圓十裏片草不留。中子彈更有利於實戰，如果我們要繳獲敵人的根據地和坦克，可以只把敵軍殺死，但是把坦克和根據地完好保存。中國的第一顆中子彈也是我們九院研制成功的。中子的作用難道只是制造核武器嗎？二戰後，大科學家費米開始考慮中子可不可以應用於科研，之後幾十年，很多科學家致力於這方面的研究。
其中有兩個科學家，一個叫Shull，一個叫Brockhouse，因為他們在中子散射方向做出了重大貢獻，獲得了1994年的諾貝爾物理學獎。神奇的中子如何幫我們看透物質？中子散射有很大的用處。這兩張照片是分別用X射線和中子散射的方式給南北朝時期的同一個佛像拍攝的照片。可以看出，我們用中子可以看到X射線看不到的東西——中子散射可以拍到佛像中間有一根柱子，但是X射線是看不到的。
這是因為中子不帶電，所以它對物質的穿透力非常強，而且它對生命體比如說木頭裏面含有的碳、氫、氧這些元素更敏感。利用中子的這個特性，我們可以研究南北朝時期佛像塑造的一些工藝。還有一些其他的例子，比如我們可以利用中子的穿透性了解恐龍化石的三維結構。
上面這張圖片是100多年前倫琴發現X射線時為他妻子的手拍的照片，圓環是戒指。因為戒指是金屬做的，所以X射線透不過。但是中子不一樣，中子可以非常輕易地穿透金屬。比如含有水分的新鮮花朵，把它放在金屬容器裏，中子打過去，就能非常清楚地看到裏面花的景象。但是用X射線就會被金屬的容器擋住。所以這是中子相對於X射線的一些優點。剛才我說中子彈能夠只傷害生命體，而不損害建築，其實也是利用了中子的這一特點。
從科學的角度來說，X射線是跟物質裏的電子發生作用。像金屬元素，它周圍的核外電子非常多，X射線跟它們發生反應的概率更大，所以它能夠看到金屬或人體的骨頭。我們去醫院照X光片，骨頭就能夠被看得很清楚。中子不帶電，可以直接和原子核相互作用，它反而可以和人體中富含的碳、氫、氧這些元素更好地發生反應。利用中子的這些特性，非常有利於我們研究生物相關的課題。現在中子散射在各門學科都有應用，比如物理、化學、生物、材料方面。我今天講的給蛋白質拍電影就是在生物方面的應用，中子對碳、氫、氧看得更清楚。我們都知道生命體是由很多蛋白質組成的，很多生物學家認為這些蛋白質的結構和功能是相關的。所以生物學家需要給蛋白質拍照片。但是因為蛋白質在不停地運動，而且運動的整個過程更能體現它的功能，所以給蛋白質拍電影是更重要的一個研究方向。給蛋白質拍電影並沒有那麼容易。蛋白質真實運動的時間尺度其實是非常快的，大概是10-12～10-9秒這樣的量級，一般的攝像機或顯微鏡是拍不到的。但是，我們利用中子散射可以看到蛋白質是怎樣運動的。微觀世界的精密“尺子”用中子散射怎麼看蛋白質的運動呢？如果讓中子慢下來，它的波長與微觀世界的原子和分子的尺度相當，可以作為一把觀察微觀世界的尺子對微觀世界進行測量，看它到底發生了什麼，以及物質是如何運動的。
這張圖是我給學生講中子散射時常用的。假如把中子看成老鼠，入射的中子打到奶酪——我們把它叫做樣品，蛋白質等都可以作為樣品。中子經過樣品以後發生散射，散射之後還是中子，它的能量和動量可能發生了變化，攜帶了樣品的一些微結構信息，然後就被狗探測器探測到。上面這個動畫是大概的原理。中子打在樣品上面，經過樣品裏面的原子和分子的散射之後被探測器探測到。基本原理非常簡單，但是利用這個原理我們可以做很多有趣的實驗。如何獲得中子獲得中子並不是一件簡單的事。因為中子在原子核裏，要從原子核裏面把它打出來並不是件容易的事。這就是為什麼並不是每一個學校都配備有中子源的原因，實際上全世界的中子源都不多。
從這張圖中，我們看到全世界中子源的主要分布在發達國家，因為它的造價非常高。我們看到中子源主要分布在美國，歐洲、日本、中國，澳大利亞也都有分布。中國一共有三台中子源。中子源一共有兩種，其中最重要的、用得最多的就是反應堆中子源。中國的三台中子源裏面有兩台是反應堆中子源，世界上大部分的中子源也都是反應堆中子源。
上圖是反應堆中子源的照片。因為水是一種很好的中子吸收劑，所以一般的反應堆中子源都是放在類似遊泳池的地方，北京就有一個反應堆中子源。
另一個反應堆中子源在綿陽，叫中國綿陽研究堆。離我們最近的一個中子源就在北京，在房山的原子能院。所以，其實我們離反應堆很近，但是大家不要怕，因為反應堆是非常安全的。
另外一種中子源叫散裂中子源。因為中子不帶電，所以我們把質子加速到非常高的能量，用它轟擊靶核，瞬間產生大量的中子。散裂中子源的造價比較高，全世界正在運行的只有4台，美國散裂中子源是第一台。
上圖是日本的散裂中子源和英國的散裂中子源。
第四台是中國的散裂中子源，在廣東東莞，2018年剛剛建成開始運行，現在已經開始接收用戶。
散裂中子源是大國重器，占地很大，它的內部是這樣的。下面的兩張照片是加速器，還有一個重要的裝置叫做譜儀（見上圖）。
上圖中，頭兩張照片是我在美國工作時的照片，左上角是從反應堆引出來的中子束線，右邊是譜儀。左下角是在中國綿陽，我們九院自己的反應堆那邊的一個小角散射譜儀。右下角是我在東莞的一個小角散射譜儀探測器前面拍的照片。我們用這麼大的儀器，觀測的卻是非常小的原子、分子尺度的物質，可以說是用大儀器看小科學。用中子散射給蛋白質拍電影我的主要工作是用中子散射給蛋白質拍電影。
（上面）這些照片都是我帶學生在國內和國外去各個中子源做實驗時拍攝的。怎樣給蛋白質拍照片？給大家舉幾個例子，第一個例子跟生命起源有關。
這艘船曾經在電影《泰坦尼克號》中出鏡，就是電影中打撈海洋之星的那艘船。我的合作夥伴用它來打撈海底的一些古菌。
我們知道海底的條件非常嚴苛，比如有某種熱泉，它周圍的溫度非常高，可以達到100℃以上，壓強也比較大。但是在這樣嚴酷的條件下，仍然有生命體存在，比如魚、蝦、螃蟹。我們發現這種條件跟生命起源的嚴苛條件非常接近。如果研究這種生物是如何生存的，就有利於我們研究生命起源的條件是怎樣的。
我的生物學家合作者從這種古菌裏面提取出來一種蛋白質，發現這個蛋白質的確能夠在高溫和高壓下存活。我們把它跟普通的雞蛋白做了對比，雞蛋在高溫下會被煮熟，這根藍色的線代表雞蛋白的活性，過了50℃活性就會下降。另外一根線代表古菌裏面的蛋白質，一直到八九十攝氏度還保持非常高的活性。生物學家雖然發現了這個現象，但是要拿過來讓物理學家從蛋白質動力學的角度來解釋為什麼會發生這樣的現象。
我們做了一系列的中子散射實驗，如圖所示，這是我當時在美國做實驗用的兩種不同的譜儀，非常龐大。
下面給大家看一下，我們拍的“電影”是這個樣子的（如上圖）。大家是不是很失望？其實，剛才給大家看的熱鬧的動畫片都是科學家做出來逗你們開心的，真正的科學家做科研看到的是這樣的譜線。這些譜線為我們提供了很多有用的信息，能夠幫助我們知道蛋白質在那樣短的時間尺度裏到底是怎樣運動的。我們必須分析這樣複雜的譜線，才會得到一些有用的信息。
比如，我們可以利用這些信息設計一些蛋白質，能夠在極端的條件下存活，將來有利於探索生命在地球以外的極端的條件下是否能夠存活。物理學家都喜歡探索極端條件，剛才看到的是極高溫和高壓的情況，那麼低溫的生命是怎樣的情況呢？
南極有一種魚可以在低於0℃的條件下存活，上圖中，左邊的老爺爺是我的一個合作者。他在60年代第一次發現這種魚存在抗凍蛋白，可以防止魚的血液結冰，這個魚有100多斤，它的蛋白質大概長這個樣子。我對這種蛋白質非常感興趣，就給他寫信說能不能給我提供一些蛋白質，用於中子散射實驗。他給我寄了好幾克蛋白質過來。做生物的人都知道，蛋白質其實是非常貴的，都是按毫克計的，他直接給我寄了那麼多蛋白質，我非常感謝他。然後我就做了一系列中子散射實驗，得到了一些有趣的結論。
大家應該都看過小說《三體》，裏面有冬眠的情節，其實很多電影裏面也有這樣的場景。現在也有很多嘗試冷凍人體，但是效果都不是特別好。其中最大的一個技術難點就是結冰，在冷凍和解凍的過程中，如果結冰了，整個人體就不會複蘇。所以想繞過結冰這個問題是非常難的，如果我們能夠解決這個問題，利用抗凍蛋白還是非常令人興奮的計劃。
這是一種納米材料，我們叫它納米金剛石。納米金剛石是直徑大概5納米的球。在現實中，它看起來就像塵土一樣，但是它有一個特性，在醫學上面可以用來對藥物進行癌症的靶向治療。科學家們做靶向治療腫瘤的小鼠實驗，發現沒有吃藥的和吃了藥的小鼠治療效果都不好，吃了藥的效果甚至更差。這可能是因為，藥物不能達到腫瘤的位置，甚至不能進入它的細胞。但是納米金剛石有一個特征，它能夠把藥物吸附在它的表面，幫助藥物穿過細胞膜，進入癌症細胞的內部，然後進行靶向治療。實驗結果顯示，臨床上看到腫瘤的確小了很多。物理學家不做醫學，我們關注的是：藥物被納米金剛石吸附在表面之後，藥性會不會發生變化？我們用中子散射結合計算機模擬的方法，看這個藥物在納米金剛石表面會發生什麼變化。
我們知道，如果僅僅是模擬，很多結果大家都不信的，因為計算機怎樣都可以算出來。但是如果有實驗來驗證的話，我們就會覺得這個還是有可信度的。而且，用計算機模擬可以從微觀角度來解釋實驗的結果，所以計算機和實驗處於相輔相成的狀態。大家有沒有聽說過量子生物學？目前與量子相關的大部分都是偽課題。但是量子生物學這個學科真的存在。科學家們其實早就想利用量子物理的原理來研究生物學裏面發生的一些現象，但是還處於萌芽階段。
我們發現用中子研究量子生物學有非常大的優勢，因為中子本身就是量子，而且中子可以研究物質的磁的性質。生物學家發現，有些鳥具有磁導航能力，比如信鴿能夠根據地磁尋找到方向。所以蛋白質對於磁場的感應，也許就是量子的一個效應。所以，希望我們未來可以用中子散射推進量子生物學的發展。
中子散射這個領域在國內剛剛發展起來，知道的人並不多，特別是用中子散射來研究生物，在國際上都是新興的領域。希望大家知道我們，關注我們。“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。
《量子生物學不是山寨學科，它真的存在》完，請繼續朗讀精采文章。
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