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破圈!理論物理最抽象、也最強大的工具,將破解“生物學”難題

 123xyz123 2025-05-03 發(fā)布于湖南

這不是某種生物行為的巧合,而是數(shù)學層面的對稱性。

最新《自然·物理》上的這項研究,把“共形不變性”這個原本屬于理論物理和數(shù)學的概念,硬生生從黑洞邊界和量子臨界點里,拖進了細胞運動的實驗室里。

破圈!理論物理最抽象、也最強大的工具,將破解“生物學”難題

一群來自哥本哈根大學和其他研究機構的科學家,拿四種細胞系統(tǒng)——包括人類乳腺癌細胞、狗腎上皮細胞、綠膿桿菌和它的突變體,展開了高分辨率的動力學追蹤。他們不是研究基因,不是研究代謝,而是研究它們集體移動時的“旋渦”。

旋渦不稀奇,水杯攪一攪都有。 關鍵是這些旋渦——它們的“渦度邊界”——竟然符合共形不變性。

什么是共形不變性?最簡單的說法: 你把圖像放大縮小、扭曲變形,只要不破壞角度,它的統(tǒng)計結構保持不變。

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這在物理里是重量級的概念。臨界相變、二維量子場論、弦論的某些邊界條件,全靠它支撐。但在細胞層面?沒人敢斷言它會出現(xiàn)。

結果就是,它不僅出現(xiàn)了,而且不同生物、不同種類、不同機制的細胞集群,在這種“遠離平衡態(tài)”的自組織過程中,都展現(xiàn)出了完全一致的共形不變性。

研究團隊把這些旋渦邊界的幾何輪廓,拿來做分形維度測量、繞行角分析、SLE曲線擬合,發(fā)現(xiàn)它們全都符合 κ=6 的標準。

κ=6,意味著什么?這是SLE理論中“滲流”普適類的特征值。和水滲透進巖石孔隙、磁性系統(tǒng)的臨界漲落、二維界面粗糙化的幾何過程,處在同一個物理大類。

說白了,不管你是細菌還是癌細胞,不管你靠鞭毛滑動還是主動遷移,只要一群細胞一起動,它們就天然遵守了某種“宇宙級”的幾何對稱性。

這和之前那些在無機系統(tǒng)里觀測到的臨界漲落不一樣。物理系統(tǒng)靠近相變點,才可能展現(xiàn)出共形不變性。而這里是生物系統(tǒng),是活著的、在消耗能量、遠離熱平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)。

這在理論上,是個巨大的破圈。

CFT(共形場論)一直是理論物理最抽象、也最強大的工具之一。 從二維臨界系統(tǒng),到弦論的AdS/CFT對偶,再到量子引力邊界理論,它都在發(fā)揮作用?,F(xiàn)在它被活細胞的“轉圈圈”證實了。

研究團隊用不同系統(tǒng)復現(xiàn)了相同的結果,還開發(fā)了一個簡單的計算模型,可以在不考慮細胞具體生理結構的前提下,模擬出類似的動力旋渦。這說明,CFT在這里不是巧合,而是一種深層次的普適規(guī)則。

再往前一步,這種幾何對稱性如果能被編程利用,未來可能成為合成生物學、組織工程、甚至癌癥研究的新工具。

比如腫瘤細胞的侵襲性是否與其渦度結構的變化有關?傷口修復過程中,細胞遷移的“組織流體”是否也受到這種共形對稱控制?這些問題,現(xiàn)在終于有了數(shù)學語言可以接近。

還有一點,這些生物系統(tǒng)可以反過來為理論物理提供實驗平臺。

過去很多共形場論的驗證,只能在數(shù)值模擬里進行,因為沒有真實系統(tǒng)符合那些苛刻的條件。而現(xiàn)在,癌細胞和細菌可以了。這意味著,某些無法在固體材料或冷原子體系里觀測到的共形行為,未來可能在細胞培養(yǎng)皿中被驗證。

生物系統(tǒng)成了物理驗證平臺。

從愛因斯坦之后,物理學不斷追求“統(tǒng)一場論”,試圖找到萬物運動的底層邏輯。誰會想到,那個隱藏在量子臨界點、二維流體和黑洞邊界的“共形不變性”,居然也藏在細胞運動里,藏在乳腺癌細胞與綠膿桿菌的轉圈里。

生物的混亂之下,是對稱?;靵y的不是系統(tǒng),而是我們理解它的方式。

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