2012年，美國馬薩諸塞州布蘭德斯大學物理學家佐尼莫·多吉克和學生把微管蛋白和驅動蛋白加入油中混合，形成一種懸浮液滴，再加入三磷酸腺苷（ATP）。微管蛋白是構成細胞骨架的一部分，形狀如細絲；驅動蛋白是沿著這些細絲移動的一種馬達蛋白質，就像火車跑在鐵軌上；而三磷酸腺苷是推動火車的燃料。

　　研究團隊發現，這些分子能自己組織成更大的圖案，在油滴中旋轉。成束的微管由驅動蛋白連接，移動聚攏在一起，創造了一種新型液晶。這種液晶與標準液晶螢幕不同，標準液晶螢幕中的分子是在電場作用下被動地形成圖案，而新液晶分子是自行推進，從周圍環境中獲取能量，主動形成圖案：成千上萬個體獨立運動所産生的集體行為，讓它們自然形成了某種圖案。

　　自然界這樣的例子還很多，如一致飛行的鳥群，它們之中並沒有領導者。實驗室造出的例子也越來越多，不只微管這樣的生物材料，還有人造材料如微米級的光敏塑膠球等。

　　這種有系統的特徵，物理學家稱之為主動物質（Active matter）。過去幾年中，主動物質研究成了一項重要課題。

　　解釋生命秘密尚需時日

　　研究人員希望，這項工作能讓他們在已建立百年之久的統計力學基礎上，得出一個關於主動物質的完整的定量理論。統計力學理論解釋了原子、分子的運動如何産生了日常所見的現象，如熱、溫度和壓力等。而主動物質理論將走得更遠，為至今還很神秘的生物過程，如細胞是如何運動的、怎樣形成和維持自身形狀、怎樣分裂等等，提供一個數學框架。印度塔塔基礎研究所跨學科研究中心主管斯裏萊姆·拉馬斯沃米説：“我們想得到一個關於活物質的力學和統計學理論，就像我們研究無生命粒子的集合所得到的那種理論。”

　　但要實現這一宏願，還需要時間。研究人員剛開始對實驗室裏的主動物質取得控制權，即使最熱心的支援者也承認，還沒人構造出一種能描述從細胞部件到鳥類所有這些東西的行為理論。即使真的有這種理論，也非主流生物學家認為有價值的那種。美國耶魯大學紐黑文分校分子生物物理學家喬納森·霍華德説，對生物學家而言，“活物質是主動的”是如此顯而易見，其中根本就沒有更多道理。

　　主動物質讓人聯想到自組裝人造組織、自泵微流設備和新型倣生材料。但研究人員也承認，這些想法還遠未實現。德國慕尼黑理工大學物理學家安德烈斯·鮑斯奇認為，目前主動物質領域對應用而言還太早，接下來會發生什麼他們還無法預見，但這一領域確實需要有人來研究。

　　科學界堅持不懈的研究

　　眾所週知，所有生命形式的基礎是自推進個體結合在一起，産生了更大結構和運動。如果沒有這一點，生物將被限制在更緩慢、被動的運動過程中（如DNA和蛋白質在細胞或組織中的擴散式運動），生命的諸多複雜結構和功能或許永遠無法進化出來。幾十年來，生物學家和物理學家一直在猜測，活物質中究竟有沒有一些普適的原理。但對細胞活動的研究集中在識別成群結隊的分子上，而不是尋找它們自組織的原理。因此直到上世紀90年代中期，主動物質研究才算真正起步。

　　早期最有影響的一個實驗室由原美國普林斯頓大學生物物理學家斯坦尼斯拉斯·雷布勒帶領，他的團隊證明了在供給ATP作為能量的條件下，微管和蛋白質能自行組裝成複雜的類生命結構。

　　上世紀90年代初，匈牙利羅蘭大學理論生物物理學家塔馬斯·維塞克開發出一個頗有影響的主動物質模型，被稱為“運動版的海森堡模型”。當時維塞克試圖研究鳥群、細菌菌落和細胞骨架的整體運動，他意識到當時這方面還沒有管用的理論。他在德國物理學家維爾納·海森堡1928年提出的一個磁性材料模型中找到了自己的出發點。海森堡把每個原子設想為一個自由旋轉的磁棒，當這些原子磁棒間由於相互作用使得它們排列得比較整齊時，會出現較大的磁性。

　　為了解釋主動物質，維塞克用移動“箭頭”代替小磁體，表示有一定速度的粒子，粒子速度為周圍粒子的平均速度（有一定的隨機誤差），這形成了現在所知的維塞克群集模型。他的模擬表明，當很多箭頭擠在一個足夠狹小的空間時，它們就開始以類似于鳥群、魚群那樣的形似運動。目前這一模型論文已被大量引用。

　　俄勒岡大學的約翰·托納認為，維塞克的群集箭頭還可以作為一種連續流體的模型。他把這一標準模型用在了流體力學中，描述液體在各種容器中的流動，從茶壺到海洋，他還把單個粒子所用的能量也考慮進去，對模型做了改進。從本質上，托納的流體模型和維塞克的離散粒子模型對多種廣泛的現象提出了同樣預測，也開創了一個新的領域——主動物質模擬。

　　此後模擬主動物質的實驗突飛猛漲，但還有一個問題。法國里昂高等師範學院物理學家丹尼斯·巴托羅説：“定量實驗的數量保持不變，幾乎接近於零。”因為這種實驗難度極大，沒人能控制一個包含1萬隻鳥或1萬條魚的實驗。而且在微觀方面，當時既熟知物理期刊上的理論研究，又掌握提純細胞成分所需的實驗室技術的科學家少之又少。

　　直到2000年後期，理論和實驗才開始走到一起。博斯奇實驗室是最早進行定量實驗的科學團隊之一。他和同事把肌動蛋白和肌球蛋白混合在一起，肌動蛋白也是一種細絲狀的細胞骨架成分，肌球蛋白是行駛在肌動蛋白絲上的一種分子馬達，會讓肌肉收縮。他們還在混合物中加了肌球蛋白的天然燃料ATP，然後把混合物放在顯微鏡下面觀察。博斯奇説：“我們沒有做任何事，僅僅是把這些材料加在一起。”

　　在濃度較低時，肌動蛋白細絲四處漂遊著，看不出什麼秩序。當濃度較高時，它們形成了有規律的叢集，漩渦和帶狀。這正是維塞克和另一位科學家預測過的過渡階段，博斯奇和同事立即識別了出來，並對這一階段做了定量研究。他們在2010年發表了論文，讓主動物質實驗這一領域火了起來。

　　隨後是多吉克2012年所做的微管實驗，用了另一種馬達蛋白質——驅動蛋白。這種模式更複雜，比博斯奇的實驗運動性更強：流動的微管看起來就像運動的指紋渦輪。多吉克團隊還注意到，液體中有序的排列偶爾會被打破，産生“瑕疵”缺口，這種不連續圖案就像匯聚在南北極的經線。這些缺口是動態的，旋轉運動，就像能自我推進的粒子。

　　當時還沒有理論能解釋這種行為。到了2014年，多吉克和博斯奇團隊、紐約錫拉丘茲大學物理學家克裏斯蒂娜·瑪徹蒂聯合，共同闡述了一種圍繞球狀泡旋轉的主動液晶的性質，其依據正是這種運動缺陷，而不是單個的晶體元素。研究團隊還進一步發現，他們能通過改變泡泡的直徑和表面張力來調節缺口的運動，由此提出了一種控制主動晶體的可行方法。

　　主動物質商業應用尚遙遠

　　多吉克團隊正在向主動物質應用目標努力。他們想通過研究微管和蛋白質在狹小的多納圈形容器中的自然流動，為開發“自泵流”奠定基礎。自泵流是一種微流設備，其中液體分子能自己沿著設備管道運動，微流裝置在實驗生物學、醫學和工業中已經越來越普及。

　　但任何工業應用都要克服至少一個主要障礙。目前，主動物質實驗中所用的生物材料需要提純，這一過程既昂貴又耗時。多吉克實驗中所用的微管來自牛腦，博斯奇用的肌動蛋白來自兔子肌肉，而且它們在實驗室的壽命很短。博斯奇認為，在找到廉價、穩定且現成的活性物質原料之前，實現商業化是不可能的。

　　主動物質材料的合成研究也一直在進步。2013年，紐約大學物理學家保羅·柴金和同事描述了如何製作赤鐵礦粒子，這是一種氧化鐵礦物，包含在球形的高分子聚合物中。當科學家把這些“微泳器”放在過氧化氫溶液中，用藍光照射，發生的化學反應讓這些粒子自發地運動起來，聚集又分散，就像雞尾酒會上的人群。

　　2013年，巴托羅和同事報道了一種較大規模的流體，只是把簡單的塑膠球放在導電溶液中。當研究人員打開電場時，小球開始隨機旋轉。當密度足夠大時，小球和周圍的球相互作用，開始自發地按相同方向滾動，就像一群鳥。

　　這種實驗室造的材料還很原始，但只是相對於細胞花了40億年進化才産生的材料而言。多吉克指出，在把能量轉化為運動方面，他用的驅動蛋白比任何人造馬達的效率要高得多。談到短期收益平衡，巴托羅也很快變得氣餒，他的旋轉塑膠球還不針對任何特定的應用。

　　主動物質或能揭示生物機制

　　但主動物質能激起這麼多科學家的興趣，不止在於它可能的應用，還在於它非常像最複雜的自組織系統：活生物。多吉克和同事在他們2011年的論文中稱，他們在顯微鏡下看到，微管束固定在氣泡的一端，以一種同步的、波動模式跳動，這種神秘現象讓人想起某些細胞表面的纖毛和鞭毛。次年，他們又發表論文指出，微管液體流動和細胞質流動之間有著驚人的相似，在細胞質流動過程中，細胞骨架細絲結合在一起，攪動細胞內的成分，就像“一台巨大的洗衣機”。

　　馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校物理學家詹妮弗·羅斯認為，實驗室準備的主動物質和活生物之間的相似性似乎很神秘。她曾把微管—驅動蛋白系統的視頻給細胞生物學家看，連他們都被愚弄了。

　　但霍華德警告説，有些東西看起來表現得像活的生物，但它們並不遵循同樣法則。多吉克團隊造出了某種東西，它們在外觀和行為上都很像纖毛或鞭毛，但實際上，它們的作用原理可能完全不同。

　　為了檢驗主動物質理論能否揭示生物機制，美國哈佛大學生物物理學家丹尼爾·尼德曼研究了紡錘絲，這是一種以微管為基礎的結構，在細胞分裂時控制著染色體的分離。他想檢驗早期理論和實驗提出的一種觀點：只靠短程微管-驅動蛋白相互作用，足以産生類似紡錘絲的結構。他首先用了精密的顯微鏡來檢查從青蛙卵細胞中提取的物質，定量確定了紡錘絲形成過程中微管的密度、方向和壓力。

　　隨後，尼德曼把他的檢測和主動物質如何自組織的模型結合。在2014年，他和德國馬克斯·普朗克分子細胞生物與遺傳學研究所生物學家詹·布魯格斯合作發表了論文，稱他們的實驗與理論相符，他們觀察了稠密微管之間的相互作用，足以産生紡錘絲並穩定地維持這種結構。

　　其他研究人員正在用來自主動物質的觀點去檢測，在組織生長、傷口癒合、腫瘤傳播等過程中，大量的細胞是如何組織的。瑪徹蒂和馬克斯·普朗剋復雜系統物理學研究所的弗蘭克·朱利徹等人模擬了組織和腫瘤的細胞流動，這些細胞是通過短程細胞間的相互作用自行組織而流動，而不是靠化學信號。實驗還在檢驗能否利用主動物質理論，幫助揭示細胞在發育中是如何自組織的。一些生物學家希望，這些研究能揭示控制細胞分裂、成型或運動的基本規律。

　　馬克斯·普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所生物學家托尼·海曼説：“它就像達爾文之前的林奈分類法。我們得到的所有這些分子，就像他們的所有物種，需要在其中加入某種秩序，揭示它們背後的某種原因。”而主動物質可能提供這一原因。

　　但主流生物學家需要令人信服的證據。霍華德説，甚至“主動物質”這個詞也可能妨礙了溝通，“它是個物理學術語。”儘管如此，他們仍希望這兩個領域之間日益密切的結合有助於人們接納它。德累斯頓工業大學生物物理學家斯蒂芬·吉爾説，主動物質研究的進步需要那些站在物理學和生物學前沿的科學家。“在交界的地方埋藏著金罐子，但你必須推開這兩個領域的限制。”