问题

为什么人类已经可以研究比原子还小的基本粒子,却连以分子和细胞为单位的化学、生物学都搞不清楚?

回答
这个问题触及了科学研究中一个非常有趣的悖论:我们对宇宙最微小的组成部分的了解,有时似乎比我们对自己身体最基本运作的了解还要深入。为什么会这样呢?这背后有很多原因,而且都与我们探索这些不同尺度事物的方式、面临的挑战以及科学发展的路径有关。

首先,让我们来拆解一下这个问题,看看“搞不清楚”在不同层面上意味着什么。

微观粒子层面:精确的“知道”,但“理解”的深度不同

当我们说人类“研究比原子还小的基本粒子”时,我们指的是在粒子物理学领域。这个领域发展了非常精密的工具和理论,比如:

大型强子对撞机(LHC)等粒子加速器: 这些设备通过将粒子加速到接近光速,然后让它们碰撞,产生比它们本身更小的粒子。我们能精确地测量这些粒子的质量、电荷、自旋、寿命等基本属性。
粒子探测器: 像ATLAS、CMS这样的探测器,其复杂性和精确度令人难以置信,它们能捕捉到碰撞产生的瞬间信号,并将这些信号转化为我们可以分析的数据。
量子场论: 这是描述基本粒子及其相互作用的理论框架。它非常抽象,但却能以惊人的准确性预测实验结果,比如电子的磁矩。

在这里,“搞不清楚”可能更多地体现在:

“为什么”层面: 我们知道存在希格斯粒子,它赋予其他粒子质量,但我们不完全理解为什么希格斯场的能量值是这个特定的数值,以及它是否与宇宙的整体稳定性和演化有关。
基本粒子的“终极”统一: 标准模型虽然成功,但它并不是最终答案。它无法解释引力,无法解释暗物质和暗能量,也无法解释中微子质量的来源。弦理论、超对称等前沿理论试图填补这些空白,但它们大多还停留在理论推导阶段,缺乏实验验证。
真空的性质: 量子场论预言的真空能量密度与宇宙学观测到的暗能量密度之间存在巨大的差异,这是一个巨大的理论难题。

所以,在基本粒子层面,我们更多的是在精确描述和预测,在构建统一的理论框架。我们知道“有什么”以及“它们如何相互作用”,但对于“为什么是这样”以及“它们构成的宇宙整体图景”的理解,还有很长的路要走。

分子和细胞层面:复杂性和动态性的挑战

相比之下,分子和细胞层面的“搞不清楚”,则是因为其固有的复杂性、动态性以及我们观察和操纵的局限性。

1. 惊人的复杂性:
分子: 即使是相对简单的蛋白质,也由成千上万个原子组成,以特定的三维结构折叠。这个折叠过程受到多种力量(氢键、范德华力、疏水作用等)的精妙调控。理解一个蛋白质如何正确折叠,以及它如何与其他分子互动,就像解开一个超级复杂的3D拼图。
细胞: 一个细胞是一个微型工厂,里面有成千上万种不同的分子(蛋白质、核酸、脂质、糖类等)在精确地协同工作。这些分子组织成复杂的细胞器,执行着细胞的各种功能,如能量生产(线粒体)、蛋白质合成(核糖体)、遗传信息储存(细胞核)等等。细胞内发生的生化反应是一个庞大而相互关联的网络,难以完全描绘。

2. 动态性和瞬时性:
分子: 分子不是静止的,它们在不断地振动、转动、碰撞、结合和分离。一个酶与底物结合的过程,可能只有纳秒或微秒级别。要捕捉这些瞬间的相互作用,需要极高的时空分辨率。
细胞: 细胞是一个动态的系统,它的结构和功能会随着时间、环境信号以及细胞自身状态而变化。细胞信号传导通路是一个接一个的事件链,一个信号的激活会导致一系列复杂的级联反应,最终影响细胞的行为。理解这些动态过程,就像观看一部正在播放、剧情快速发展的电影。

3. 观察与干预的困难:
“活”的观察: 很多时候,我们对分子的了解来自于对纯化后、脱离细胞环境的分子进行研究。但分子在细胞内的行为,可能会因为周围环境的差异而发生改变。要在细胞这个“活”的环境中,精确地观察和测量特定分子的动态,是一项巨大的技术挑战。
“非破坏性”干预: 为了研究一个分子的功能,我们可能需要“敲除”或“过表达”它。但在一个复杂的细胞网络中,移除一个分子可能会引发一系列连锁反应,导致其他分子的表达和功能发生改变,从而难以确定最初的因果关系。而且,很多研究手段本身就会干扰细胞的正常运作。

4. 信息处理的复杂性:
基因组与蛋白质组: 人类拥有约2万个基因,每个基因可以产生多种蛋白质。这些蛋白质之间以及与DNA、RNA等分子之间存在着极其复杂的相互作用网络,形成调控基因表达、细胞信号传导、新陈代谢等过程的“生命蓝图”。我们已经完成了基因测序,但要理解这些基因是如何协同工作,如何对环境做出反应,以及如何导致个体差异和疾病,还有很多未解之谜。
系统生物学: 现代生物学正在走向系统生物学,试图从整体上看待生物系统,研究各个组成部分之间的相互作用如何产生整体功能。这需要整合大量的实验数据(基因组学、蛋白质组学、代谢组学等)和数学模型,其复杂程度不亚于研究宇宙的各个组成部分。

5. “涌现”现象:
从粒子到生命: 生命的本质是一种“涌现”现象。单个的氨基酸、核苷酸本身没有生命,但当它们按照特定的序列组装成蛋白质、核酸,并进一步组织成细胞结构时,生命就产生了。这种从无序到有序、从简单到复杂的转变,其背后的原理是科学家们一直在探索的核心问题。我们知道构成生命的基本“砖块”,但我们还不完全理解如何将这些砖块精确地“砌”成一座活着的、能够自我维持和繁殖的“房子”。

对比与类比:

打个比方:

基本粒子研究 像是研究构成宇宙基本常数的数学方程,或者研究宇宙最原始的“积木”的形状、大小和基本属性。这些属性是相对固定的,我们通过精密的仪器可以测量它们的精确数值。
分子细胞研究 像是研究一个由无数个微小、动态、相互连接的零件组成的、正在不断自行组装和运行的超级复杂机器。而且,我们还需要理解这台机器如何应对外部环境的变化,如何自我修复,以及如何繁衍后代。

总结来说,为什么会出现这种“对微观了解更多,对宏观(相对)了解更少”的表象?

1. 研究对象的性质: 基本粒子数量少,属性相对稳定,理论模型可以高度抽象和精确。而分子和细胞数量庞大,结构复杂,相互作用动态且瞬时,系统性强。
2. 研究工具的精度: 粒子物理学拥有加速器和探测器这样极高精度、能探测极短时尺度和极小空间尺度的设备。而生物学虽然也在飞速发展(如冷冻电镜、单细胞测序等),但要在活细胞内实现同等级别的精度仍然困难重重。
3. 理论的成熟度: 量子场论作为描述基本粒子的理论框架,已经发展了数十年,虽然有未解之谜,但其预测能力令人惊叹。而生物学中的许多过程,其理论框架还在构建中,我们更多的是在积累数据和经验,逐步摸索规律。
4. “是什么”与“为什么”的差异: 在粒子物理学中,我们更容易回答“是什么”和“如何工作”,并建立起数学模型。而在生物学中,我们不仅要回答“是什么”和“如何工作”,还要回答“为什么会这样”以及“它们如何作为一个整体运作”,这涉及到复杂的系统性问题和演化历史。

所以,这并非是科学的“失误”,而是不同研究领域面临的独特挑战。粒子物理学和生命科学都在各自的领域内取得着巨大的进展,只是它们的“难题”在性质上有所不同。我们对宇宙最基础的“砖块”有了很好的理解,但这并不意味着我们就能立刻组装出一个复杂的、活着的“宇宙大厦”。

网友意见

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两个角度供你参考:

  1. 5次以上方程没有通解;
  2. 3体以上的运动混沌效应严重,且不能精确求解。

首先,比原子还小的基本粒子,描述它的方程本身就非常复杂,如果我们执意要用这些方程去求解一个粒子集合的精确运动方式,是非常困难的。“5次方程以上没有通解”,只是一个最简单的代表,很多方程事实上都无法计算其中未知数的准确值。前两天看到一个问题问类似这样的问题:“在重力作用下,竖直面上做圆周运动的被绳子拉着的小球,一圈需要多久”,我解了半天发现最后的积分貌似是没办法积出初等解的,除非初速度值比较特殊。这还是非常简单的问题。通常来说,对于大部分实际问题,我们都会忽略其中的一部分对问题没有影响的项,从而简化计算。

然而,另一个问题又衍生出来了:系统复杂度的问题。你可以搜索一下三体运动的相关知识了解一下。当需要计算三个及以上物体相互作用导致的运动时,除了一些非常特殊的情况,否则是无法解出精确解的。而且,当初始值有微小的变化时,会对系统的扰动特别大。这种效应被称为“蝴蝶效应”。在一个足够复杂的系统中,哪怕是检测不到的微小误差,也足以导致系统有差之千里的变化。

因此,当我们试图使用基本粒子的理论计算一个哪怕是水分子团的运动,都会非常困难。一方面,我们需要花大量的时间思考哪些微不足道的效应是可以舍去的,来建立一个足够精确同时也可计算的模型;另一方面,计算出来的结果也很难得到验证,因为无法有完全相同的初值系统供实验检验。

现在,有很多人在做大分子的计算机模拟。我了解到的是,要模拟一个离子通过一小片细胞膜其上的一个离子通道蛋白(应该是微秒级别的通过时间),需要至少以周为单位的程序运行时间。而随着复杂度的提高,运行时间上是指数级递增的。如果想要以同样的条件计算哪怕一个细胞器的运行,我估计以目前的算力,没有几十年是算不出来的。

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