耗散自組織的新發現_風聞

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

撰文 | 董唯元

在夜晚點起一盞燈，飛蟲就會聚集過來；在地上放顆糖，螞蟻就會聚集過來……這些都是司空見慣的現象。可是如果説無生命的顆粒也能主動向能量源聚攏，恐怕許多人都會感到意外。不久前，《自然·物理》（Nature Physics）雜誌上就發表了一篇論文[1]，揭示出自然規律中隱藏着的這種有趣現象。

這個實驗由一個土耳其的研究團隊完成，具體的實驗過程非常簡單。首先將均勻散佈着細小顆粒的液體限制在兩層玻璃之間，由於縫隙非常狹窄，液體流動和顆粒的布朗運動都幾乎被限制在二維平面內。然後研究人員用激光持續加熱這個準二維世界中的一點（圖1）[2]，使整個平面內的温度分佈不均衡，於是便以照射點為中心，產生了持續的液流。一段時間之後，原本均勻散佈的顆粒就會像找到糖果的螞蟻一樣，緊密地聚集到照射點附近。

圖1

這個現象的有趣之處在於，液體流動和顆粒自身的布朗運動，都是表面上雜亂無章的亂序行為，但在這樣一箇中心温度高邊緣温度低的非平衡世界中，居然總體上展現出瞭如此高的有序性。似乎冥冥之中有股神秘的力量，能幫助這些小顆粒發現並靠近能量源的位置。

也許有人會覺得這也沒什麼稀奇，畢竟一些特定的渦流就會產生相應的沉積效果，如果將一杯懸濁液攪動起漩渦，也能使大多數顆粒沉積到杯底中央。研究者為了排除這種特殊性，探討更一般性的規律，還嘗試了在準二維世界中加入氣泡，並將加熱點設定在氣泡內偏離氣泡中心的位置（圖2）。

圖2

由於氣泡的存在，不僅液流的模式沒有了先前的中心對稱性，而且温度梯度的分佈模式也發生了變化，最高温度的位置變成了顆粒可遊動範圍之外一個不可到達的地方。實驗結果顯示，熱源的“吸引力”絲毫沒有減弱。這些顆粒就像狂熱追逐明星的粉絲一樣，雖然無法到達照射點，卻總能找到距離最近的位置並賴在那裏不再離開。

通過上面兩種實驗設定，研究人員確信，在遠離平衡態的耗散系統中，一定存在某種深層的一般性規律，支配着顆粒的總體運動模式與熱源之間的關係。這些規律與具體的熱源位置、液體邊界形狀、液流的對稱性等因素均無關。

為了進一步考察這種規律的影響因素，研究小組甚至嘗試了各種大小以及各種類型的顆粒進行實驗。小到只有約3納米量子尺度的碲化鎘（CdTe）團塊，大到超過15微米的人體細胞，跨越了4個數量級（圖3）。

圖3

所有尺寸的顆粒，都呈現出了極為接近的聚集特性（圖4），甚至其聚集程度隨時間的演化趨勢都非常接近（圖5），從而使我們相信，這種神秘的聚集效應，與量子世界那些糾纏和相干性也無關聯，是完全根植於經典動力學範疇之內的某種湧現。或者更直白地説，其規律就在布朗運動和遠離平衡態的耗散系統動力學之中。

圖4

圖5

由土耳其畢爾肯大學Ghaith Makey教授及其團隊所完成的這個實驗，向我們展示了一扇通向新未知領域的大門。高度隨機漲落的非線性複雜系統在外界環境變化刺激下將如何反應，這本是生命科學和化學領域一直非常關注的重要問題。但長久以來都過於偏重特定環境局部規律的研究，而缺乏足夠全局性規律和一般性理論框架的建設。

雖然有算法層面的元胞自動機、動力學方面的反應擴散方程，以及其他一些來自隨機過程理論成果的借鑑，但在實際自組織行為現象的研究中，這些理論總給人一種繞着城外轉圈卻始終無法進城幫忙的感覺。尤其是在遠離平衡態，無法使用準平衡近似的時候，這種無力感就更加明顯。即使勉強通過各種假設參數套用現有理論框架，也經常會因非線性系統的混沌特性而迷失在無盡的調參之中。

Makey教授及其團隊所發表的這個實驗結果，為相關研究者提供了極為簡潔的自組織行為模式及其條件因素，同時精心剔除了所有干擾參數。可以説是為後續理論研究者樹立起了一個非常清晰的標靶，等待着研究者發力將其射穿。也許，諸多與生命本質密切聯繫的深刻規律，也暗藏在這個標靶的後面。

註釋

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

[2] 文中插圖皆來自相關論文。

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