2012年，美国马萨诸塞州布兰德斯大学物理学家佐尼莫·多吉克和学生把微管蛋白和驱动蛋白加入油中混合，形成一种悬浮液滴，再加入三磷酸腺苷（ATP）。微管蛋白是构成细胞骨架的一部分，形状如细丝；驱动蛋白是沿着这些细丝移动的一种马达蛋白质，就像火车跑在铁轨上；而三磷酸腺苷是推动火车的燃料。

    研究团队发现，这些分子能自己组织成更大的图案，在油滴中旋转。成束的微管由驱动蛋白连接，移动聚拢在一起，创造了一种新型液晶。这种液晶与标准液晶显示器不同，标准液晶显示器中的分子是在电场作用下被动地形成图案，而新液晶分子是自行推进，从周围环境中获取能量，主动形成图案：成千上万个体独立运动所产生的集体行为，让它们自然形成了某种图案。

    自然界这样的例子还很多，如一致飞行的鸟群，它们之中并没有领导者。实验室造出的例子也越来越多，不只微管这样的生物材料，还有人造材料如微米级的光敏塑料球等。

    这种有系统的特征，物理学家称之为主动物质（Active matter）。过去几年中，主动物质研究成了一项重要课题。

    解释生命秘密尚需时日

    研究人员希望，这项工作能让他们在已建立百年之久的统计力学基础上，得出一个关于主动物质的完整的定量理论。统计力学理论解释了原子、分子的运动如何产生了日常所见的现象，如热、温度和压力等。而主动物质理论将走得更远，为至今还很神秘的生物过程，如细胞是如何运动的、怎样形成和维持自身形状、怎样分裂等等，提供一个数学框架。印度塔塔基础研究所跨学科研究中心主管斯里莱姆·拉马斯沃米说：“我们想得到一个关于活物质的力学和统计学理论，就像我们研究无生命粒子的集合所得到的那种理论。”

    但要实现这一宏愿，还需要时间。研究人员刚开始对实验室里的主动物质取得控制权，即使最热心的支持者也承认，还没人构造出一种能描述从细胞部件到鸟类所有这些东西的行为理论。即使真的有这种理论，也非主流生物学家认为有价值的那种。美国耶鲁大学纽黑文分校分子生物物理学家乔纳森·霍华德说，对生物学家而言，“活物质是主动的”是如此显而易见，其中根本就没有更多道理。

    主动物质让人联想到自组装人造组织、自泵微流设备和新型仿生材料。但研究人员也承认，这些想法还远未实现。德国慕尼黑理工大学物理学家安德烈斯·鲍斯奇认为，目前主动物质领域对应用而言还太早，接下来会发生什么他们还无法预见，但这一领域确实需要有人来研究。

    科学界坚持不懈的研究

    众所周知，所有生命形式的基础是自推进个体结合在一起，产生了更大结构和运动。如果没有这一点，生物将被限制在更缓慢、被动的运动过程中（如DNA和蛋白质在细胞或组织中的扩散式运动），生命的诸多复杂结构和功能或许永远无法进化出来。几十年来，生物学家和物理学家一直在猜测，活物质中究竟有没有一些普适的原理。但对细胞活动的研究集中在识别成群结队的分子上，而不是寻找它们自组织的原理。因此直到上世纪90年代中期，主动物质研究才算真正起步。

    早期最有影响的一个实验室由原美国普林斯顿大学生物物理学家斯坦尼斯拉斯·雷布勒带领，他的团队证明了在供给ATP作为能量的条件下，微管和蛋白质能自行组装成复杂的类生命结构。

    上世纪90年代初，匈牙利罗兰大学理论生物物理学家塔马斯·维塞克开发出一个颇有影响的主动物质模型，被称为“运动版的海森堡模型”。当时维塞克试图研究鸟群、细菌菌落和细胞骨架的整体运动，他意识到当时这方面还没有管用的理论。他在德国物理学家维尔纳·海森堡1928年提出的一个磁性材料模型中找到了自己的出发点。海森堡把每个原子设想为一个自由旋转的磁棒，当这些原子磁棒间由于相互作用使得它们排列得比较整齐时，会出现较大的磁性。

    为了解释主动物质，维塞克用移动“箭头”代替小磁体，表示有一定速度的粒子，粒子速度为周围粒子的平均速度（有一定的随机误差），这形成了现在所知的维塞克群集模型。他的模拟表明，当很多箭头挤在一个足够狭小的空间时，它们就开始以类似于鸟群、鱼群那样的形似运动。目前这一模型论文已被大量引用。

    俄勒冈大学的约翰·托纳认为，维塞克的群集箭头还可以作为一种连续流体的模型。他把这一标准模型用在了流体力学中，描述液体在各种容器中的流动，从茶壶到海洋，他还把单个粒子所用的能量也考虑进去，对模型做了改进。从本质上，托纳的流体模型和维塞克的离散粒子模型对多种广泛的现象提出了同样预测，也开创了一个新的领域——主动物质模拟。

    此后模拟主动物质的实验突飞猛涨，但还有一个问题。法国里昂高等师范学院物理学家丹尼斯·巴托罗说：“定量实验的数量保持不变，几乎接近于零。”因为这种实验难度极大，没人能控制一个包含1万只鸟或1万条鱼的实验。而且在微观方面，当时既熟知物理期刊上的理论研究，又掌握提纯细胞成分所需的实验室技术的科学家少之又少。

    直到2000年后期，理论和实验才开始走到一起。博斯奇实验室是最早进行定量实验的科学团队之一。他和同事把肌动蛋白和肌球蛋白混合在一起，肌动蛋白也是一种细丝状的细胞骨架成分，肌球蛋白是行驶在肌动蛋白丝上的一种分子马达，会让肌肉收缩。他们还在混合物中加了肌球蛋白的天然燃料ATP，然后把混合物放在显微镜下面观察。博斯奇说：“我们没有做任何事，仅仅是把这些材料加在一起。”

    在浓度较低时，肌动蛋白细丝四处漂游着，看不出什么秩序。当浓度较高时，它们形成了有规律的丛集，漩涡和带状。这正是维塞克和另一位科学家预测过的过渡阶段，博斯奇和同事立即识别了出来，并对这一阶段做了定量研究。他们在2010年发表了论文，让主动物质实验这一领域火了起来。

    随后是多吉克2012年所做的微管实验，用了另一种马达蛋白质——驱动蛋白。这种模式更复杂，比博斯奇的实验运动性更强：流动的微管看起来就像运动的指纹涡轮。多吉克团队还注意到，液体中有序的排列偶尔会被打破，产生“瑕疵”缺口，这种不连续图案就像汇聚在南北极的经线。这些缺口是动态的，旋转运动，就像能自我推进的粒子。

    当时还没有理论能解释这种行为。到了2014年，多吉克和博斯奇团队、纽约锡拉丘兹大学物理学家克里斯蒂娜·玛彻蒂联合，共同阐述了一种围绕球状泡旋转的主动液晶的性质，其依据正是这种运动缺陷，而不是单个的晶体元素。研究团队还进一步发现，他们能通过改变泡泡的直径和表面张力来调节缺口的运动，由此提出了一种控制主动晶体的可行方法。

    主动物质商业应用尚遥远

    多吉克团队正在向主动物质应用目标努力。他们想通过研究微管和蛋白质在狭小的多纳圈形容器中的自然流动，为开发“自泵流”奠定基础。自泵流是一种微流设备，其中液体分子能自己沿着设备管道运动，微流装置在实验生物学、医学和工业中已经越来越普及。

    但任何工业应用都要克服至少一个主要障碍。目前，主动物质实验中所用的生物材料需要提纯，这一过程既昂贵又耗时。多吉克实验中所用的微管来自牛脑，博斯奇用的肌动蛋白来自兔子肌肉，而且它们在实验室的寿命很短。博斯奇认为，在找到廉价、稳定且现成的活性物质原料之前，实现商业化是不可能的。

    主动物质材料的合成研究也一直在进步。2013年，纽约大学物理学家保罗·柴金和同事描述了如何制作赤铁矿粒子，这是一种氧化铁矿物，包含在球形的高分子聚合物中。当科学家把这些“微泳器”放在过氧化氢溶液中，用蓝光照射，发生的化学反应让这些粒子自发地运动起来，聚集又分散，就像鸡尾酒会上的人群。

    2013年，巴托罗和同事报道了一种较大规模的流体，只是把简单的塑料球放在导电溶液中。当研究人员打开电场时，小球开始随机旋转。当密度足够大时，小球和周围的球相互作用，开始自发地按相同方向滚动，就像一群鸟。

    这种实验室造的材料还很原始，但只是相对于细胞花了40亿年进化才产生的材料而言。多吉克指出，在把能量转化为运动方面，他用的驱动蛋白比任何人造马达的效率要高得多。谈到短期收益平衡，巴托罗也很快变得气馁，他的旋转塑料球还不针对任何特定的应用。

    主动物质或能揭示生物机制

    但主动物质能激起这么多科学家的兴趣，不止在于它可能的应用，还在于它非常像最复杂的自组织系统：活生物。多吉克和同事在他们2011年的论文中称，他们在显微镜下看到，微管束固定在气泡的一端，以一种同步的、波动模式跳动，这种神秘现象让人想起某些细胞表面的纤毛和鞭毛。次年，他们又发表论文指出，微管液体流动和细胞质流动之间有着惊人的相似，在细胞质流动过程中，细胞骨架细丝结合在一起，搅动细胞内的成分，就像“一台巨大的洗衣机”。

    马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校物理学家詹妮弗·罗斯认为，实验室准备的主动物质和活生物之间的相似性似乎很神秘。她曾把微管—驱动蛋白系统的视频给细胞生物学家看，连他们都被愚弄了。

    但霍华德警告说，有些东西看起来表现得像活的生物，但它们并不遵循同样法则。多吉克团队造出了某种东西，它们在外观和行为上都很像纤毛或鞭毛，但实际上，它们的作用原理可能完全不同。

    为了检验主动物质理论能否揭示生物机制，美国哈佛大学生物物理学家丹尼尔·尼德曼研究了纺锤丝，这是一种以微管为基础的结构，在细胞分裂时控制着染色体的分离。他想检验早期理论和实验提出的一种观点：只靠短程微管-驱动蛋白相互作用，足以产生类似纺锤丝的结构。他首先用了精密的显微镜来检查从青蛙卵细胞中提取的物质，定量确定了纺锤丝形成过程中微管的密度、方向和压力。

    随后，尼德曼把他的检测和主动物质如何自组织的模型结合。在2014年，他和德国马克斯·普朗克分子细胞生物与遗传学研究所生物学家詹·布鲁格斯合作发表了论文，称他们的实验与理论相符，他们观察了稠密微管之间的相互作用，足以产生纺锤丝并稳定地维持这种结构。

    其他研究人员正在用来自主动物质的观点去检测，在组织生长、伤口愈合、肿瘤传播等过程中，大量的细胞是如何组织的。玛彻蒂和马克斯·普朗克复杂系统物理学研究所的弗兰克·朱利彻等人模拟了组织和肿瘤的细胞流动，这些细胞是通过短程细胞间的相互作用自行组织而流动，而不是靠化学信号。实验还在检验能否利用主动物质理论，帮助揭示细胞在发育中是如何自组织的。一些生物学家希望，这些研究能揭示控制细胞分裂、成型或运动的基本规律。

    马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所生物学家托尼·海曼说：“它就像达尔文之前的林奈分类法。我们得到的所有这些分子，就像他们的所有物种，需要在其中加入某种秩序，揭示它们背后的某种原因。”而主动物质可能提供这一原因。

    但主流生物学家需要令人信服的证据。霍华德说，甚至“主动物质”这个词也可能妨碍了沟通，“它是个物理学术语。”尽管如此，他们仍希望这两个领域之间日益密切的结合有助于人们接纳它。德累斯顿工业大学生物物理学家斯蒂芬·吉尔说，主动物质研究的进步需要那些站在物理学和生物学前沿的科学家。“在交界的地方埋藏着金罐子，但你必须推开这两个领域的限制。”