2021年10月02日 09:40
【科學快訊】
來源：格致論道講壇
「自然界中所有複雜的分子都是不能在中間找出一個鏡面的，也就是它自身是不具備對稱性的。」
孫亞飛
清華大學博士
很多人都會問我這樣一個問題：我是從哪裏來的？人是由什麼東西構成的？人類和世界萬物之間有什麼區別？
從化學的角度來講，人類和世界萬物之間還真沒有什麼區別。
我們是由原子一個個地堆積起來，慢慢地構成的。
但是我們得想，為什麼有些原子可以構成我手上的提詞器，有些原子就可以構成人？
這就是原子玩出的一個遊戲。
今天我就給大家講一講人是怎麼產生的。
「俄羅斯方塊」與原子連接 ；
我叫孫亞飛，2003年保送到北京大學化學院，在這之後又工作了一段時間，2014年又重新回到清華化學系讀博。
我的經曆可能會讓很多人想：你讀書又是去北大，又是去清華，是不是從來都不玩遊戲啊？
適度遊戲健腦，沉迷遊戲傷身。
可能大家打開遊戲的時候，都會有這樣的提示語。
但是我相信，很多同學在家都會玩遊戲，打開手機玩玩「王者榮耀」或者「吃雞」。
有些家長也會對此很反對，是不是孩子一天花那麼多時間玩遊戲，就會怎樣怎樣。
但是如果單純從這件事情來講，我認為我們不能一刀切，玩點遊戲還是可以的，因為我12歲的時候，也特別喜歡玩遊戲。
而且那個時候，不像現在有手機，點開之後就能玩很多種遊戲。
那會就只有紅白機，還有小的電子遊戲機，點開之後就是很簡單的音樂，能夠玩一些非常簡單的磚塊遊戲，還有「俄羅斯方塊」之類的。
我就特別喜歡玩「俄羅斯方塊」，所以35歲的時候，我還在玩「俄羅斯方塊」，只不過手上的機器換了，我換成了「任天堂」的NS。
打開之後，我發現它也可以玩，而且模式和現在流行的「吃雞」很像。
玩了兩天，我還拿到了冠軍。
你可以想象我很小的時候玩的水平是怎樣的。
至少不是特別差，而且玩的時間肯定也不少。
大家不要覺得玩遊戲就肯定上不了好學校，其實還是可以的。
我今天說的原子遊戲，就是從「俄羅斯方塊」這個遊戲裏提煉出來的。
玩過「俄羅斯方塊」的肯定都知道，它有最基本的七種形狀，這幾個形狀非常有意思，它必須滿足幾個要求。
第一，所有的拼塊都是由四個正方形的方塊構成的。
第二，每一個方塊都必須要和另外一個方塊用邊結合，七個方塊都要滿足這樣的規律。如果兩個方塊是角對角的連接，就是不行的。
第三，如果按照這個規律去做，那麼四個方塊能拼出多少個？不管怎樣拼，都只有這七個。
也就是說 ，「俄羅斯方塊」是用了所有由四個方塊拼成的、用邊連接的一個形狀，然後通過這些形狀的變形，去做這個遊戲。
這是非常有意思的地方，它用了很簡單的邏輯和形狀，就能夠把遊戲內容做得很豐富。
當然，它的模式還是非常簡單的，就是放進去，然後消一層。
我後來學化學的時候，聯想到玩「俄羅斯方塊」的經曆，突然覺得，這是不是就是原子連接的形式呢？
Part.1
分子也有形狀
原子是構成世界萬物，包括人類在內的基礎。
當然，原子並不是最小的單元。
現在通過量子物理，已經找到了比原子更小的結構。
原子本身也可以分為電子、質子、中子的形態。
質子和中子形成一個原子核，在中間，電子是很小的，它在很遠的地方。
電子是基本粒子，但是質子和中子不是，它還可以再繼續往下分，一直分到誇克。
誇克是不是更小的？
現在也不知道。
所以並不是說原子就是最小的單位，但是，原子對於構成世界萬物的基礎來說，它是最小的單元，這是沒有錯的。
在所有化學反應當中，它都是最小的單位，它不會再往下發生變化。
世界萬物的同樣也是通過原子連接起來的。
如果「俄羅斯方塊」是這樣的一種連接方式，那麼原子是怎樣的呢？
它和「俄羅斯方塊」還真是異曲同工。
我這裏舉了三個非常典型的例子，一個是長條，玩這個遊戲的人肯定都會非常喜歡，為什麼呢？
你前面可以堆到一個很高的高度，然後留出一個長條來，把這個長條放下去，就能夠消掉四行，消四行的得分是非常高的。
這就很像原子，一個個地依次連接起來。
還有一種就是T形。
如果原子也是這樣一個一個地相連，它是不是很像三個原子連接起來，然後在中間的原子上面又連接出去一個呢？
最後是一個方塊，方塊就更有意思了，每一個小方塊都是跟另外兩個方塊相連的，我們把每一個方塊當成一個原子，然後跟兩個相連，它就形成一個環狀的結構了。
所以用四個原子就可以形成這三種不同類型的結構。
世界萬物的連接，非常重要的一種原子是碳原子。
人類都是有機物，也是由碳原子構成的，碳原子的連接就很像這樣的結構。
如果拿出四個碳原子，按照上面的結構去連接，首先就是正丁烷的結構，中間就是異丁烷的結構，最後一個是環丁烷的結構。
正好就是四個碳原子能夠連接的所有形態。
說到這，可能你會問：為什麼四個方塊能拼出七個，但是用四個碳原子卻只有這三種結構呢？
這是因為如果我們把這個結構簡化出來，方塊、L形和S形，這三種形狀是等價的。
這個方塊也是一個方塊跟另外一個方塊連接，中間的兩個當然是兩邊都有。
L形也滿足這樣的形狀，它也是兩端的，都是跟這個連接，中間的分別是跟兩個連接。
S形就不多說，也是這麼一個模式。
所以這樣的三個形狀是等價的。
這個結構就是簡化之後，它們都是長條形的。
這就帶來一個新的問題：原子在連接的時候，就沒有形狀了嗎？
「俄羅斯方塊」是靠不同的形狀來區分的，原子連接是不是也應該有這麼一個規律呢？
還真有。
如果原子再連接，連接成分子的過程，也可以讓它從這個連接形式，變成一個有形狀的結構。
像這個S形，如果我們把正丁烷中間的單鍵變成一個雙鍵，簡單來說，就是通過這個結構，把分子的形狀固定住了。
再去看的時候，它就形成了一個S形。
也就是說，原子在構成分子的時候，也是有形狀的。
可不要說這是一個很簡單的道理，在人類的身體中，有很多蛋白質。有一部分蛋白質起到了催化的作用，我們把它稱為「酶」。
酶能夠起作用，就是因為它的形狀是非常特殊的。
所以，原子在構成分子時需要有不同的形狀，這也是非常關鍵的。
分子也很小，從分子再變成更大的結構時，也會遵循這個模式。
比如平常的雪花是六角形的，這個六角形是怎麼來的呢？
雪花的分子就是水，水的結構很簡單，就是兩個氫和一個氧，它形成的結構是V字形的。
V字形的水是怎麼變成六角形的雪花的呢？
這就是因為V字形的水是有特定的形狀的。
它再組合、結晶變成更大的雪花時，每一個水分子和另外的水分子之間，都會以特定的形狀結合。
假如水不是V字形的，而是長條形的，那絕對就堆不出這樣的雪花來。
就是因為它有這麼一個結構，其他的水分子會繞著它形成六個包裹一個的狀態，然後再繼續延伸，最後就出現了六角的雪花結構。
所以原子在構成分子的過程中具有形狀，這個簡單的道理影響了很多東西。
除了雪花和酶之外，世界上任何一種物質，你去看它的結構，都是原子在構成形狀的基礎上構成的。
在「俄羅斯方塊」中，左邊這個紅色的是S形，這個紫色的，我們一般稱之為Z形。
這兩個形狀為什麼是不同的呢？
這兩個形狀看起來是不是很像？我們在打遊戲的時候，也會不小心把其中一個看錯了，然後放下去，發現不能放。
這個在化學當中也是存在的。
S形和Z形就像人的兩只手一樣，在鏡子裏面是可以反射的、對稱的。
但是是不能夠完全重合的，你可以區分出左手和右手。
同樣，這個綠色的是J形，青色的是L形，這兩個也是一樣的特點。
你可以看到它可以背靠背，就像照鏡子一樣，但是也是不能重合的。
但這個T形就是可以重合的，你畫不出兩個T形來，不管哪個角度，四個方向變，所有的T形都是一樣的，這就很有意思了。
這是因為在S形和Z形的組裏，自身是不帶有鏡面的，它只能夠通過鏡面反射出另外一個。
這個特點在化學上叫「手性」，因為就像人的左右兩只手一樣。
那T形為什麼沒有呢？
因為從中間畫一道，它兩邊是可以對稱的，所以你把它扭轉過來，不能扭轉出新的鏡面對稱的結構。
這也是非常有意思的。
自然界中所有複雜的分子都是不能在中間找出一個鏡面的，也就是它自身是不具備對稱性的。
這有什麼特點呢？
比如葡萄糖是我們身體的基礎，在化學當中，它應該叫「D葡萄糖」，和它相對的還有一個「L葡萄糖」。
這兩種東西就像不同的形狀一樣，在鏡子裏面是對稱的，D葡萄糖和L葡萄糖就像照鏡子一樣。
但是它自身是沒有辦法重合的，也就是D葡萄糖和L葡萄糖是沒有辦法重合到一起的。
自然界的所有生物都以D葡萄糖為基礎，L葡萄糖我們吃了之後是不能消化的。
它們的化學性質是一樣的，但是我們只能選擇其中一種。
田螺一般都是左旋的，很少有右旋的，還有其他的各種貝殼，都有這樣的特征，這也是通過生物進化發生的過程。
自然界中所有的對稱性最後都會發生破缺，因為分子本身就是不對稱的。
Part.2
人是如何形成的？
從原子到分子，又是怎麼樣變成人類這麼複雜的生物的？
當然 ，我不是要講進化論這麼複雜的主題，我只是講它演化的過程。
有了這些形狀之後，我們就來說說「俄羅斯方塊」的模式是怎樣的。
可以看到，在堆砌的時候，它可以堆得很緊密，最後留出一格，再去把長條或者其他的形狀放進去。
所有的連成十個，每一排填滿之後就可以消去，就是這樣一個非常簡單的規矩。
這個規矩在我們實際操作的時候，會演化出各式各樣的形狀。
很難做得到一盤遊戲，你再去玩第二次的時候還能玩出一樣的結果。
幾乎每一個下去的時候都帶有一點隨機性，這就很像自然界中分子組合的過程。
自然界並不像人類知道有一個規矩，一個個依次把這些擺開。
沒有。怎麼辦呢？
那就是隨機性地擺，有時玩得很好，正好能夠把這些填平，就可以消掉。
有些時候可能玩翻車了，最後就堆得亂七八糟，什麼都不是。
自然界就是通過長期的演化，玩出了一個很龐大的「俄羅斯方塊」的局。
玩出來之後你就會發現，有時可能玩得還不錯。
像我們DNA，就由四個核酸構成，四個核苷酸、四個堿基對，也就是胞嘧啶、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和腺嘌呤。
它的構成首先就是原子形成這四個堿基對的過程，是一次小型的「俄羅斯方塊」。
這些原子一個個地形成，有一些可能不合適，就像玩遊戲的時候玩得不好，它就被淘汰了，玩得好的最後就形成了，這四個堿基對能夠被生物利用。
這四個堿基對再去拼接時，又會再玩一次大型的「俄羅斯方塊」。
這四個堿基簡稱A、T、C、G，A、T、C、G連接時，也是沒有規律的，它可能是一個完全隨機的過程。
有些隨機隨機著就出現了還不錯的一個順序，這個順序我們現在就管它叫「基因」。
為什麼這麼講呢？
它這種特定的順序可以連接不同的氨基酸，氨基酸又去組合，組合之後形成一個蛋白質，蛋白質恰恰是可以被利用的。
它又是一次選擇、一次淘汰的過程。
很多堿基對組合的密碼都是沒有意義的，人類的基因也是一樣。
人類每一條DNA都有兩米多長，拉開之後是非常長的，可能有數千萬個原子那麼長，這麼長的堿基對裏只有很小的一部分是有用的數字。
那些沒有用的被淘汰了，只有那些有用的被解讀出蛋白質，然後被我們身體應用了。
在這個過程中又有了新的變化，這些形成的長條會發生蜷曲，我們就管它叫DNA。
DNA是形成的一個雙螺旋，這個雙螺旋又會形成一次新的「俄羅斯方塊」，什麼意思呢？
進化論裏講，有一些基因可能在生物體裏發育的時候並不是很好，並不是很合適，它最後就被淘汰了。
有一些生物運用了比較好的基因，比如人相對來說毛發是比較少的。
就是因為在長期的過程中，我們多毛發的那個基因慢慢地消失掉了，變成了這相對來說毛發比較少的一種生物。
從原子到最後的生物，都經過這樣的演變，在人類自己的創造下，我們可以通過原子去制造分子，然後再用這些分子去制造出像提詞器這樣的一些物件。
但是大自然也在塑造生物，通過原子，也是玩同樣的遊戲，把生物從一個個的分子再變成一個複雜的堿基，然後再變成基因，最後變成人。
人也是一步步地從原始人進化到了現在的這樣子，整個都是一個很龐大的原子遊戲。
我今天要講的就是這樣很簡單的，但又是很複雜的一個過程。
時間有限，我不可能展現出它的全貌來，可能還需要大家在自己平常的讀書學習過程中，慢慢地感受這個遊戲的魅力。
