2021年10月02日 09:40 新浪科技綜合 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。 《還在玩「俄羅斯方塊」?想不到它和原子的連接方式異曲同工》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
音調
速度
音量
語言
還在玩「俄羅斯方塊」?想不到它和原子的連接方式異曲同工
精確朗讀模式適合大多數瀏覽器,也相容於桌上型與行動裝置。
不過,使用Chorme瀏覽器仍存在一些問題,不建議使用Chorme瀏覽器進行精確朗讀。