2024年4月19日晚，由世界杯预选赛买球、北京现代物理研究中心、北京物理学会主办的“世界杯预选赛买球物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第二十四期）在世界杯预选赛买球理科教学楼208教室举行。世界杯预选赛买球博雅讲席教授、物理学院学术委员会主任、定量生物学中心副主任欧阳颀院士应邀讲授“物理概念在生物学研究中的应用”。本期讲堂由世界杯预选赛买球院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

物理学是现代科学的基础。二十世纪初叶，以量子力学和相对论为主要标志的第二次科学革命不仅为人类认识自然赋予了新的视角，也为生命科学、地球科学、信息科学等其他自然科学和技术领域，乃至社会学、经济学等人文社会科学领域提供了新的科学范式。

物理学与生物学的交叉融合素来是“双向奔赴”的，即：生物学为物理学提供了复杂的研究对象和应用场景；物理学为生物学提供了先进的实验技术和重要的思想认识。1943年，薛定谔（E. Schrödinger）以“生命是什么？”（What is Life?）为题发表演讲，运用物理学的观点阐释生命现象的本质。十年后，沃森（J. D. Watson）、克里克（F. H. C. Crick）等运用X射线衍射技术发现脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构（获1962年诺贝尔生理学或医学奖），标志着人类找到生命现象的“密码本”，从认识生命跨入改造、合成、设计生命的新阶段。

欧阳颀强调，从物理学的基本原理出发，更好地理解和调控生命现象

欧阳颀借用数学家乌拉姆（S. M. Ulam）在20世纪60年代说过的“不要问物理学能为生物学做什么，而要问生物学能为物理学做什么”（Ask not what physics can do for biology, ask what biology can do for physics），向同学们发问：“21世纪的物理学能为生物学作出哪些贡献呢？”他指出，推进生物学从定性、描述性、局部性的研究向定量、理论化、系统化的研究变革，对揭示生命现象本质和探索生命过程基本规律具有重大意义，随后以三项研究工作为例，详细讲解了假设驱动、粗粒化、定量化的研究范式在现代生物学研究中是如何得以应用的。

不同的物种具有不同的新陈代谢能力，但代谢速率遵循着一定的普适性规律。1883年，鲁伯纳（M. Rubner）从与生物体形状、细胞代谢散热相关的两项假设出发，推导出生物体的基础代谢率与其体重的2/3次幂呈正比。20世纪30年代，克莱伯（M. Kleiber）通过分析26个物种的测量数据，将幂次2/3修正为3/4（被称为克莱伯定律，亦称鼠-象曲线）。1997年，韦斯特（G. B.West）、布朗（J. H. Brown）、恩奎斯特（B. J. Enquist）运用分形几何验证了克莱伯定律在二十多个数量级的生物体体重范围内适用，并由此推测出主动脉半径、毛细血管面积、血液流速等生物体的其他特征也与其体重呈幂律关系。克莱伯定律被认为起源于生物体内部的分形输运网络。

蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA相互作用网络决定着细胞中各种关键功能的执行。2004年，世界杯预选赛买球理论生物学中心（现世界杯预选赛买球定量生物学中心）汤超、欧阳颀联合课题组首先基于芽殖酵母的蛋白质-蛋白质相互作用网络数据和实验文献，构建起调控细胞周期和生命周期的蛋白质网络，然后从简化的离散动力学模型出发，深入研究了网络的全局动力学性质。研究表明，细胞周期网络的动力学性质具有较强的全局稳定性，约94%的蛋白质初态演化至G1基态（即细胞周期的生物学稳定态），使G1基态成为唯一的全局吸引点；绝大多数的初态通过从G1激发态到G1基态的细胞周期演化路径，使细胞周期演化路径成为全局性的“吸引”路径。离散动力学模型被认为有助于研究大规模生物网络的动力学性质。

生物振荡网络调节着各种与时间信息相关的生命过程，但细胞环境中的内外噪声导致振荡过程因相位涨落而非常不精确。2015年，欧阳颀、涂豫海联合课题组首次从理论上系统阐述了振荡过程精确性、敏感性、同步性与自由能耗散之间的普适性关系。研究表明，在生物振荡网络的三种基序中，振荡相位的扩散系数与自由能耗散呈相同的反比关系；振荡过程实际上由多个自由能驱动（例如三磷酸腺苷水解）的反应环路构成，消耗的自由能越多，振荡相位的精确性越高。2023年，联合课题组利用单颗粒冷冻电子显微镜技术解析了蓝藻生物钟蛋白KaiC关键突变体的高分辨结构，运用统计物理模型揭示了KaiC六聚体的单体之间存在协同相互作用，为蓝藻生物钟实现稳定振荡的分子机制提供了直接观测证据。

欧阳颀说，物理学和其他学科的参与，推动生物学研究向可定量、可计算、可调控、可预测的方向跃升

欧阳颀还向同学们介绍了令三位生物物理学家——杜博歇（J. Dubochet）、弗兰克（J. Frank）、亨德森（R. Henderson）斩获2017年诺贝尔化学奖的冷冻电子显微镜技术，以及自己和毛有东的联合课题组近年来在发展基于冷冻电镜的动力学重建方法，围绕蛋白酶体、炎症小体等具有重大临床应用前景的靶点系统的结构功能、动力学机制和靶向调控分子设计方面开展的前沿交叉研究。

科学在于回答难题，也在于提出恰当的问题；一旦需要理解生命现象，同学们甚至还没法肯定什么是恰当的问题

从18世纪第一次工业革命的机械化，到19世纪第二次工业革命的电气化，再到20世纪第三次工业革命的信息化，一次次颠覆性的科技革新，带来社会生产力的大解放和生活水平的大跃升，从根本上改变了人类历史轨迹和世界发展格局。欧阳颀在回答同学们如何看待人工智能技术对未来生物学研究的影响时，说：“人类当然可以借助“大模型+大数据+大算力”进一步发展定量生物学、系统生物学、合成生物学、计算生物学、生物信息学等，更加真实、细致地刻画复杂系统，更加高效、实用地解析生命机制，然而，我们是不是应当扪心自问：‘机器懂了的，我们自己究竟懂不懂？’”

欧阳颀（一排右四）、高原宁（一排右五）启发同学们从热力学的角度思考复杂而有序的生命系统