红细胞的双凹碟形

红细胞的双凹碟形

▲红细胞

作为液晶显示物理学家，黑尔弗里希同时在研究生物膜，尤其是红细胞的形状方面有重大贡献。这体现着物理学与生物学交叉的创新点不仅仅是研究生物系统的物理现象，而是用物理学的方法去解决生物学面临的重大挑战与长期解决不了的难题。这样的难题在红细胞身上就有好几个，如它们为什么呈现规则的双凹碟形状？在血液里它们为什么不粘连在一起？

对第一个问题，自然主义的功能学派认为，双凹碟形（而不是球形）保证红细胞有很强的形变能力，穿入比其半径小很多的毛细血管以到达血液循环系统。黑尔弗里希则不满足于这种“需要则存在”的功能说，他把脂双层膜与弯曲的液晶层联系在一起，于1973年提出生物膜的弹性自由能概念，并于1976年用数字电子计算机证明，双凹碟形是使生物膜弹性自由能达到最小的一种状态。这个问题也给笔者提供过机遇，1987年，笔者与黑尔弗里希从生物膜弹性自由能导出过一个相当复杂的曲面方程，1993年笔者与日本合作者从这个方程出发，发现一个由对数与正弦函数构成的解析解，其形状正是红细胞的双凹碟形状。

第二个问题涉及生物学中一项极为重要的课题——细胞间的接触问题。黑尔弗里希研究一堆平行生物膜的热涨落，从玻尔兹曼能量均分定理证明膜与膜之间存在着与距离3次方成反比的热斥力。正是这种涨落引起的斥力，抵消了膜与膜之间的范德华力（也是与距离3次方成反比），这才使细胞不会粘连在一起，保证了生命系统的有序性。

红细胞形状的发现已有200年历史，到了近20年才出现一个完整的解释，这还是靠“软物质”才获得的。黑尔弗里希红血球理论也是到了20世纪90年代才被美国的分子生物学教科书载入。这还算是幸运的，由于传统的隔阂，生物学家对于物理学家用数学描述生物系统常持怀疑态度，因此历史记载了许多令人沮丧的事例。许多热情的物理学家解决了一些生物学问题，但却发现生物学家对此十分漠然。这种阻碍学科交叉的障碍如此严重，不得不令对生物学热心的物理学家开辟自己的学科交叉领域与发表相关论文的园地，这也是上面提到的开设新物理杂志的新专栏的原因。

“软物质”或“软凝聚态”是物理学家自行开发的新领域与新方向。值得庆幸的是在世纪之交，从决策者到科研教育机构都相当愿意去克服那些曾经阻碍学科交叉的障碍。

事实上，对生物学热心的，不仅仅是物理学家与化学家，数学家对由生物膜形状方程提出的数学问题已开始表现出极大的兴趣，在中国科学院应用数学所、香港中文大学数学系与北京大学数学系，已有青年研究人员从事这类问题的研究。软物质的确也为数学家开创了一片新天地。