在外界環(huán)境變化刺激下，從納米尺寸的量子點(diǎn)、聚苯乙烯球，到微米尺寸的細(xì)菌、真菌以及人體細(xì)胞，這些不同大小的顆粒呈現(xiàn)出極為接近的聚集特性。這種神秘的聚集效應(yīng)究竟是如何產(chǎn)生的呢？

撰文 | 董唯元

在夜晚點(diǎn)起一盞燈，飛蟲就會(huì)聚集過(guò)來(lái)；在地上放顆糖，螞蟻就會(huì)聚集過(guò)來(lái)……這些都是司空見慣的現(xiàn)象?？墒侨绻f(shuō)無(wú)生命的顆粒也能主動(dòng)向能量源聚攏，恐怕許多人都會(huì)感到意外。不久前，《自然·物理》（Nature Physics）雜志上就發(fā)表了一篇論文[1]，揭示出自然規(guī)律中隱藏著的這種有趣現(xiàn)象。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)由一個(gè)土耳其的研究團(tuán)隊(duì)完成，具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常簡(jiǎn)單。首先將均勻散布著細(xì)小顆粒的液體限制在兩層玻璃之間，由于縫隙非常狹窄，液體流動(dòng)和顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)都幾乎被限制在二維平面內(nèi)。然后研究人員用激光持續(xù)加熱這個(gè)準(zhǔn)二維世界中的一點(diǎn)（圖1）[2]，使整個(gè)平面內(nèi)的溫度分布不均衡，于是便以照射點(diǎn)為中心，產(chǎn)生了持續(xù)的液流。一段時(shí)間之后，原本均勻散布的顆粒就會(huì)像找到糖果的螞蟻一樣，緊密地聚集到照射點(diǎn)附近。

這個(gè)現(xiàn)象的有趣之處在于，液體流動(dòng)和顆粒自身的布朗運(yùn)動(dòng)，都是表面上雜亂無(wú)章的亂序行為，但在這樣一個(gè)中心溫度高邊緣溫度低的非平衡世界中，居然總體上展現(xiàn)出了如此高的有序性。似乎冥冥之中有股神秘的力量，能幫助這些小顆粒發(fā)現(xiàn)并靠近能量源的位置。

也許有人會(huì)覺得這也沒(méi)什么稀奇，畢竟一些特定的渦流就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沉積效果，如果將一杯懸濁液攪動(dòng)起漩渦，也能使大多數(shù)顆粒沉積到杯底中央。研究者為了排除這種特殊性，探討更一般性的規(guī)律，還嘗試了在準(zhǔn)二維世界中加入氣泡，并將加熱點(diǎn)設(shè)定在氣泡內(nèi)偏離氣泡中心的位置（圖2）。

由于氣泡的存在，不僅液流的模式?jīng)]有了先前的中心對(duì)稱性，而且溫度梯度的分布模式也發(fā)生了變化，最高溫度的位置變成了顆?？捎蝿?dòng)范圍之外一個(gè)不可到達(dá)的地方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱源的“吸引力”絲毫沒(méi)有減弱。這些顆粒就像狂熱追逐明星的粉絲一樣，雖然無(wú)法到達(dá)照射點(diǎn)，卻總能找到距離最近的位置并賴在那里不再離開。

通過(guò)上面兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)定，研究人員確信，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散系統(tǒng)中，一定存在某種深層的一般性規(guī)律，支配著顆粒的總體運(yùn)動(dòng)模式與熱源之間的關(guān)系。這些規(guī)律與具體的熱源位置、液體邊界形狀、液流的對(duì)稱性等因素均無(wú)關(guān)。

為了進(jìn)一步考察這種規(guī)律的影響因素，研究小組甚至嘗試了各種大小以及各種類型的顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。小到只有約3納米量子尺度的碲化鎘（CdTe）團(tuán)塊，大到超過(guò)15微米的人體細(xì)胞，跨越了4個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3）。

所有尺寸的顆粒，都呈現(xiàn)出了極為接近的聚集特性（圖4），甚至其聚集程度隨時(shí)間的演化趨勢(shì)都非常接近（圖5），從而使我們相信，這種神秘的聚集效應(yīng)，與量子世界那些糾纏和相干性也無(wú)關(guān)聯(lián)，是完全根植于經(jīng)典動(dòng)力學(xué)范疇之內(nèi)的某種涌現(xiàn)。或者更直白地說(shuō)，其規(guī)律就在布朗運(yùn)動(dòng)和遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)之中。

由土耳其畢爾肯大學(xué)Ghaith Makey教授及其團(tuán)隊(duì)所完成的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，向我們展示了一扇通向新未知領(lǐng)域的大門。高度隨機(jī)漲落的非線性復(fù)雜系統(tǒng)在外界環(huán)境變化刺激下將如何反應(yīng)，這本是生命科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域一直非常關(guān)注的重要問(wèn)題。但長(zhǎng)久以來(lái)都過(guò)于偏重特定環(huán)境局部規(guī)律的研究，而缺乏足夠全局性規(guī)律和一般性理論框架的建設(shè)。

雖然有算法層面的元胞自動(dòng)機(jī)、動(dòng)力學(xué)方面的反應(yīng)擴(kuò)散方程，以及其他一些來(lái)自隨機(jī)過(guò)程理論成果的借鑒，但在實(shí)際自組織行為現(xiàn)象的研究中，這些理論總給人一種繞著城外轉(zhuǎn)圈卻始終無(wú)法進(jìn)城幫忙的感覺。尤其是在遠(yuǎn)離平衡態(tài)，無(wú)法使用準(zhǔn)平衡近似的時(shí)候，這種無(wú)力感就更加明顯。即使勉強(qiáng)通過(guò)各種假設(shè)參數(shù)套用現(xiàn)有理論框架，也經(jīng)常會(huì)因非線性系統(tǒng)的混沌特性而迷失在無(wú)盡的調(diào)參之中。

Makey教授及其團(tuán)隊(duì)所發(fā)表的這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為相關(guān)研究者提供了極為簡(jiǎn)潔的自組織行為模式及其條件因素，同時(shí)精心剔除了所有干擾參數(shù)?？梢哉f(shuō)是為后續(xù)理論研究者樹立起了一個(gè)非常清晰的標(biāo)靶，等待著研究者發(fā)力將其射穿。也許，諸多與生命本質(zhì)密切聯(lián)系的深刻規(guī)律，也暗藏在這個(gè)標(biāo)靶的后面。

注釋

[1] https://doi.org/10.1038/s41567-020-0879-8

[2] 文中插圖皆來(lái)自相關(guān)論文。