2024年4月19日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心、北京物理學會主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第二十四期）在beat365理科教學樓208教室舉行。beat365博雅講席教授、beat365學術委員會主任、定量生物學中心副主任歐陽颀院士應邀講授“物理概念在生物學研究中的應用”。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

物理學是現代科學的基礎。二十世紀初葉，以量子力學和相對論為主要标志的第二次科學革命不僅為人類認識自然賦予了新的視角，也為生命科學、地球科學、信息科學等其他自然科學和技術領域，乃至社會學、經濟學等人文社會科學領域提供了新的科學範式。

物理學與生物學的交叉融合素來是“雙向奔赴”的，即：生物學為物理學提供了複雜的研究對象和應用場景；物理學為生物學提供了先進的實驗技術和重要的思想認識。1943年，薛定谔（E. Schrödinger）以“生命是什麼？”（What is Life?）為題發表演講，運用物理學的觀點闡釋生命現象的本質。十年後，沃森（J. D. Watson）、克裡克（F. H. C. Crick）等運用X射線衍射技術發現脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結構（獲1962年諾貝爾生理學或醫學獎），标志着人類找到生命現象的“密碼本”，從認識生命跨入改造、合成、設計生命的新階段。

歐陽颀強調，從物理學的基本原理出發，更好地理解和調控生命現象

歐陽颀借用數學家烏拉姆（S. M. Ulam）在20世紀60年代說過的“不要問物理學能為生物學做什麼，而要問生物學能為物理學做什麼”（Ask not what physics can do for biology, ask what biology can do for physics），向同學們發問：“21世紀的物理學能為生物學作出哪些貢獻呢？”他指出，推進生物學從定性、描述性、局部性的研究向定量、理論化、系統化的研究變革，對揭示生命現象本質和探索生命過程基本規律具有重大意義，随後以三項研究工作為例，詳細講解了假設驅動、粗粒化、定量化的研究範式在現代生物學研究中是如何得以應用的。

不同的物種具有不同的新陳代謝能力，但代謝速率遵循着一定的普适性規律。1883年，魯伯納（M. Rubner）從與生物體形狀、細胞代謝散熱相關的兩項假設出發，推導出生物體的基礎代謝率與其體重的2/3次幂呈正比。20世紀30年代，克萊伯（M. Kleiber）通過分析26個物種的測量數據，将幂次2/3修正為3/4（被稱為克萊伯定律，亦稱鼠-象曲線）。1997年，韋斯特（G. B.West）、布朗（J. H. Brown）、恩奎斯特（B. J. Enquist）運用分形幾何驗證了克萊伯定律在二十多個數量級的生物體體重範圍内适用，并由此推測出主動脈半徑、毛細血管面積、血液流速等生物體的其他特征也與其體重呈幂律關系。克萊伯定律被認為起源于生物體内部的分形輸運網絡。

蛋白質-蛋白質、蛋白質-DNA相互作用網絡決定着細胞中各種關鍵功能的執行。2004年，beat365理論生物學中心（現beat365定量生物學中心）湯超、歐陽颀聯合課題組首先基于芽殖酵母的蛋白質-蛋白質相互作用網絡數據和實驗文獻，構建起調控細胞周期和生命周期的蛋白質網絡，然後從簡化的離散動力學模型出發，深入研究了網絡的全局動力學性質。研究表明，細胞周期網絡的動力學性質具有較強的全局穩定性，約94%的蛋白質初态演化至G1基态（即細胞周期的生物學穩定态），使G1基态成為唯一的全局吸引點；絕大多數的初态通過從G1激發态到G1基态的細胞周期演化路徑，使細胞周期演化路徑成為全局性的“吸引”路徑。離散動力學模型被認為有助于研究大規模生物網絡的動力學性質。

生物振蕩網絡調節着各種與時間信息相關的生命過程，但細胞環境中的内外噪聲導緻振蕩過程因相位漲落而非常不精确。2015年，歐陽颀、塗豫海聯合課題組首次從理論上系統闡述了振蕩過程精确性、敏感性、同步性與自由能耗散之間的普适性關系。研究表明，在生物振蕩網絡的三種基序中，振蕩相位的擴散系數與自由能耗散呈相同的反比關系；振蕩過程實際上由多個自由能驅動（例如三磷酸腺苷水解）的反應環路構成，消耗的自由能越多，振蕩相位的精确性越高。2023年，聯合課題組利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術解析了藍藻生物鐘蛋白KaiC關鍵突變體的高分辨結構，運用統計物理模型揭示了KaiC六聚體的單體之間存在協同相互作用，為藍藻生物鐘實現穩定振蕩的分子機制提供了直接觀測證據。

歐陽颀說，物理學和其他學科的參與，推動生物學研究向可定量、可計算、可調控、可預測的方向躍升

歐陽颀還向同學們介紹了令三位生物物理學家——杜博歇（J. Dubochet）、弗蘭克（J. Frank）、亨德森（R. Henderson）斬獲2017年諾貝爾化學獎的冷凍電子顯微鏡技術，以及自己和毛有東的聯合課題組近年來在發展基于冷凍電鏡的動力學重建方法，圍繞蛋白酶體、炎症小體等具有重大臨床應用前景的靶點系統的結構功能、動力學機制和靶向調控分子設計方面開展的前沿交叉研究。

科學在于回答難題，也在于提出恰當的問題；一旦需要理解生命現象，同學們甚至還沒法肯定什麼是恰當的問題

從18世紀第一次工業革命的機械化，到19世紀第二次工業革命的電氣化，再到20世紀第三次工業革命的信息化，一次次颠覆性的科技革新，帶來社會生産力的大解放和生活水平的大躍升，從根本上改變了人類曆史軌迹和世界發展格局。歐陽颀在回答同學們如何看待人工智能技術對未來生物學研究的影響時，說：“人類當然可以借助“大模型+大數據+大算力”進一步發展定量生物學、系統生物學、合成生物學、計算生物學、生物信息學等，更加真實、細緻地刻畫複雜系統，更加高效、實用地解析生命機制，然而，我們是不是應當扪心自問：‘機器懂了的，我們自己究竟懂不懂？’”

歐陽颀（一排右四）、高原甯（一排右五）啟發同學們從熱力學的角度思考複雜而有序的生命系統