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從肥皂泡到生命過程:楊玉良教授在中科院第12次院士大會的講演
2004-12-08  來源:中國聚合物網

    同樣的道理,有著斑點狀皮毛圖案的豹的尾巴上的花紋一般都是從尾巴根部的斑點圖案過渡到尾巴尖上的條紋圖案。這也不是基因決定的,而是在尾巴尖上的皮毛的面積較小,很容易使得斑點連接成條紋圖案。事實上,這個模型會告訴我們更多的東西。例如,該模型指出,當色素的擴散系數D和動物的尺寸L的比值改變時,幾乎所有的已知哺乳動物皮毛的圖案都會出現。一個很有趣的傳聞是關于美國大片《侏羅紀公園》恐龍身上的花紋問題。藝術家根據恐龍的骨骼化石很容易地重構了恐龍的造型,然而問題在于恐龍的表皮究竟有沒有花紋?反應-擴散方程告訴我們,當相對于色素的擴散系數D而言動物的尺寸L很大時,更有利于均勻解的出現,因此不會出現花紋。比如,大象身上就沒有花紋,同理可以推斷恐龍身上不會有花紋。所以在《侏羅紀公園》中,好萊塢的藝術家不敢在恐龍的皮上畫上圖案。反之,當相對于色素的擴散系數D而言動物的尺寸L很小時,色素分子十分容易擴散至全身,故小尺寸的動物一般也是單色的,不易出現花紋,老鼠就是一個典型的例子。更為有趣的是,當色素的擴散系數D與動物尺寸L相當時,計算獲得了前后半身分別為兩種顏色的圖案,好像不可能,后來發現一種大角羊就是這樣,前半身是黑色的,而后半身則是白色的。看來反應-擴散方程還是抓住了問題的部分本質。雖然,我們不能說這些問題已經得到了完全的理解,但我們至少可以說,這些問題與基因沒有直接關系。

    以上討論的畢竟是生命體系,其中畢竟有基因的存在。那么圖案的出現一定需要基因嗎?答案是確切的,圖案的產生并不需要基因。例如,大家熟知的B-Z反應,就是一個實例。這個反應呈現出非常復雜的時-空結構,各化學物種濃度的空間呈現周期性的分布,并且隨時間呈周期性的變化。一會兒圖案消失了,再等一會兒又出現了,好像呼吸一樣,這就是著名的振蕩化學反應。我們必須注意到,B-Z反應中這種空間圖案和特殊的時間節律的出現是完全沒有基因參與的。可見反應-擴散方程的重要性。

    我們在這里還要強調相分離的重要性,因為即便在細胞中脂肪和水是不互溶的。我們來看一個我們曾經研究過的簡單的例子。設想一個簡單得不能再簡單的體系,其中有A、B和C三種化合物,三者又不相容,會如同油和水一樣發生相分離。同時,我們假設A+B可生成C,而C又能經逆反應解離成A和B。即便對于如此簡單的反應-擴散-相分離體系,其出現的圖案十分復雜,如果考慮其間流體力學影響,情況更加復雜不堪。所以,我們可以設想,反應-擴散-相分離方程可以出現各種超乎想象的復雜性。我們知道,在一個細胞當中的代謝反應數目可以高達數千個,而且代謝產物之間不能夠完全互溶,對于如此復雜的體系,那么有什么奇跡不能發生呢!

    值得一提的是,近年來,彈性模型在植物葉片上莖的空間分布圖樣和植物葉邊的褶皺的生成機理作出了非常出色的闡述,而且得到了實驗的驗證。在這些彈性模型中,我們也無法看到基因的蹤影,更找不到其與基因的直接聯系。

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