1
00:00:00,390 --> 00:00:02,689
生物为什么都选同一种几何结构

2
00:00:02,990 --> 00:00:04,908
极小曲面给出了答案

3
00:00:05,269 --> 00:00:07,828
蝴蝶翅膀上那层闪烁的蓝光

4
00:00:07,870 --> 00:00:08,788
不是颜料

5
00:00:09,189 --> 00:00:10,569
你把鳞粉刮掉看一看

6
00:00:10,869 --> 00:00:12,189
底下是透明的

7
00:00:12,429 --> 00:00:14,249
那颜色到底是从哪来的

8
00:00:14,830 --> 00:00:15,368
答案是

9
00:00:15,830 --> 00:00:18,149
蝴蝶在自己翅膀鳞片的内部

10
00:00:18,149 --> 00:00:20,949
修建了一座纳米级别的三维迷宫

11
00:00:21,350 --> 00:00:23,068
光走进这座迷宫之后

12
00:00:23,269 --> 00:00:26,748
在迷宫墙壁上反复折射、反复干涉

13
00:00:27,030 --> 00:00:30,149
只有特定波长的光被选择性地放大了

14
00:00:30,469 --> 00:00:32,389
蓝色不是被画上去的

15
00:00:32,469 --> 00:00:34,469
蓝色是被建筑出来的

16
00:00:34,670 --> 00:00:37,228
但是让我真正震惊的不是这个

17
00:00:37,390 --> 00:00:38,588
让我震惊的是

18
00:00:38,750 --> 00:00:41,628
蝴蝶修建的这座纳米迷宫的几何形状

19
00:00:41,869 --> 00:00:45,268
和你眼球里某些线粒体的内膜折叠方式

20
00:00:45,509 --> 00:00:47,588
居然是同一种数学结构

21
00:00:48,070 --> 00:00:49,469
而这种数学结构

22
00:00:49,590 --> 00:00:53,209
是一个在美国宇航局上班的数学家在一九七零年

23
00:00:53,469 --> 00:00:55,749
纯靠纸和笔推导出来的

24
00:00:55,950 --> 00:00:56,289
哈喽

25
00:00:56,469 --> 00:00:56,889
大家好

26
00:00:57,189 --> 00:00:58,149
我是王利杰

27
00:00:58,549 --> 00:01:02,469
前段时间有位做生物膜研究的科学家观众给我留言

28
00:01:02,590 --> 00:01:05,228
她提到了一个让我兴奋到坐不住的现象

29
00:01:05,469 --> 00:01:08,028
她说她研究的对象叫立方体膜

30
00:01:08,189 --> 00:01:11,200
就是细胞内部的膜结构折叠成一种特殊的

31
00:01:11,200 --> 00:01:12,748
三维周期性曲面

32
00:01:12,909 --> 00:01:14,748
但最让我头皮发麻的是

33
00:01:14,870 --> 00:01:17,828
这种结构不是只在某一种生物里出现

34
00:01:18,109 --> 00:01:19,248
蝴蝶翅膀里有它

35
00:01:19,790 --> 00:01:21,388
树鼩的眼睛里有它

36
00:01:21,670 --> 00:01:23,629
变形虫的细胞里也有它

37
00:01:23,950 --> 00:01:28,028
甚至绿藻在受到紫外线压力的时候也会自发生成它

38
00:01:28,390 --> 00:01:30,028
我当时就想到了一个问题

39
00:01:30,510 --> 00:01:33,629
为什么这些相隔几亿年进化距离的生物

40
00:01:33,790 --> 00:01:36,528
会不约而同地选择同一种几何形状

41
00:01:37,230 --> 00:01:38,248
是基因传递的

42
00:01:38,789 --> 00:01:39,588
不可能

43
00:01:39,709 --> 00:01:43,549
它们的最近共同祖先在十几亿年前就分道扬镳了

44
00:01:43,790 --> 00:01:45,868
那这背后到底是巧合

45
00:01:45,950 --> 00:01:49,929
还是说物理定律在暗中给所有生命下了一道指令

46
00:01:50,430 --> 00:01:53,069
我们之前聊过造物主的设计偏好

47
00:01:53,510 --> 00:01:55,948
如果这个世界背后有一个设计师

48
00:01:56,269 --> 00:02:00,108
她似乎对几种特定的数学结构有执念般的偏爱

49
00:02:00,549 --> 00:02:03,269
螺旋、分形、黄金比例

50
00:02:03,629 --> 00:02:06,828
这些图案从星系旋臂到贝壳纹路

51
00:02:06,989 --> 00:02:10,429
在从宏观到微观的各个尺度上反复涌现

52
00:02:10,789 --> 00:02:13,028
今天我们要把镜头推得更深

53
00:02:13,310 --> 00:02:15,308
推到细胞的膜系统内部

54
00:02:15,509 --> 00:02:16,468
你会发现

55
00:02:16,590 --> 00:02:20,588
造物主的几何偏好不只是宏观世界的装饰性巧合

56
00:02:20,870 --> 00:02:24,188
它其实渗透到了生命最底层的操作系统里

57
00:02:24,509 --> 00:02:24,688
好

58
00:02:25,430 --> 00:02:27,709
先来认识一下这个数学结构

59
00:02:28,150 --> 00:02:29,348
一九六七年

60
00:02:29,469 --> 00:02:32,968
一位叫艾伦舍恩的数学家加入了美国宇航局

61
00:02:33,069 --> 00:02:34,348
电子研究中心

62
00:02:34,590 --> 00:02:36,949
担任几何应用办公室的负责人

63
00:02:37,270 --> 00:02:39,748
他当时在研究一个纯粹的数学问题

64
00:02:40,189 --> 00:02:43,368
什么样的曲面可以在三维空间里无限延伸

65
00:02:43,870 --> 00:02:45,068
周期性重复

66
00:02:45,310 --> 00:02:48,329
而且表面的每一个点上平均曲率都为零

67
00:02:49,110 --> 00:02:50,688
什么叫平均曲率为零

68
00:02:51,389 --> 00:02:52,669
你可以这样理解

69
00:02:52,870 --> 00:02:55,868
想象一张肥皂膜挂在一个铁丝圈上

70
00:02:56,270 --> 00:02:58,669
肥皂膜自动找到了一个形状

71
00:02:59,030 --> 00:03:01,989
那个形状是表面张力最小的状态

72
00:03:02,349 --> 00:03:04,628
肥皂膜就是一个极小曲面

73
00:03:04,870 --> 00:03:06,669
它不是人为设计的形状

74
00:03:06,830 --> 00:03:10,269
而是物理力量自动找到的最省能量的答案

75
00:03:10,590 --> 00:03:11,669
舍恩要找的

76
00:03:11,669 --> 00:03:14,449
是这种最省能量的答案在三维空间里

77
00:03:14,509 --> 00:03:16,149
无限延伸时的样子

78
00:03:16,550 --> 00:03:18,028
他花了三年时间

79
00:03:18,030 --> 00:03:20,989
用注塑成型做了精密的塑料模型

80
00:03:21,229 --> 00:03:24,348
又借助早期的计算机图形学做验证

81
00:03:25,069 --> 00:03:28,549
最终在一九七零年的美国宇航局技术报告里

82
00:03:28,550 --> 00:03:30,908
他发表了一种前所未见的曲面

83
00:03:31,069 --> 00:03:32,508
命名为gyroid

84
00:03:32,870 --> 00:03:34,248
gyroid是什么样子呢

85
00:03:34,830 --> 00:03:37,429
你可以想象一张无穷大的弯曲薄膜

86
00:03:37,590 --> 00:03:41,088
它把整个三维空间精确地分割成两个互相缠绕

87
00:03:41,389 --> 00:03:43,468
但永远不接触的迷宫通道

88
00:03:43,949 --> 00:03:45,989
这张膜没有任何直线段

89
00:03:46,110 --> 00:03:48,068
也没有任何平面对称性

90
00:03:48,310 --> 00:03:51,109
它优雅到不需要支撑就能自己站稳

91
00:03:51,349 --> 00:03:54,549
因为它在每一个点上的力学平衡都是完美的

92
00:03:54,789 --> 00:03:56,229
用更简单的话说

93
00:03:56,310 --> 00:03:59,929
gyroid是三维空间里弯曲薄膜能找到的

94
00:03:59,990 --> 00:04:01,389
最轻松的姿势

95
00:04:01,629 --> 00:04:03,429
就像水往低处流一样

96
00:04:03,509 --> 00:04:05,628
膜往gyroid的方向弯

97
00:04:06,030 --> 00:04:07,028
有意思的是

98
00:04:07,030 --> 00:04:08,709
舍恩发表这个结构的时候

99
00:04:08,830 --> 00:04:10,748
他只证明了它的数学性质

100
00:04:10,750 --> 00:04:12,588
并没有证明它是嵌入的

101
00:04:12,590 --> 00:04:15,188
就是说它不会和自己穿插交叉

102
00:04:15,509 --> 00:04:19,149
这个证明直到一九九六年才被两位德国数学家完成

103
00:04:19,430 --> 00:04:20,869
一个纯数学猜想

104
00:04:20,870 --> 00:04:23,069
花了二十六年才被严格证明

105
00:04:23,149 --> 00:04:25,389
然而大自然不需要等这个证明

106
00:04:25,509 --> 00:04:27,908
几亿年前的蝴蝶就已经在用它了

107
00:04:28,069 --> 00:04:30,108
数学家花二十六年证明的东西

108
00:04:30,269 --> 00:04:31,988
细胞膜用热力学的直觉

109
00:04:31,990 --> 00:04:33,309
瞬间就找到了

110
00:04:33,949 --> 00:04:34,689
记住这一点

111
00:04:34,949 --> 00:04:36,869
然后我们回来看生物

112
00:04:37,189 --> 00:04:38,309
二零零八年

113
00:04:38,350 --> 00:04:41,988
发表在英国皇家学会界面杂志上的研究证实

114
00:04:42,149 --> 00:04:44,749
很多种蝴蝶翅膀鳞片的内部结构

115
00:04:44,750 --> 00:04:47,668
精确匹配gyroid曲面的数学模型

116
00:04:48,069 --> 00:04:48,408
注意

117
00:04:48,750 --> 00:04:49,728
不是大致像

118
00:04:50,069 --> 00:04:51,428
是精确匹配

119
00:04:51,750 --> 00:04:55,519
研究人员用小角X射线散射测量了这些结构的

120
00:04:55,519 --> 00:04:56,548
晶格参数

121
00:04:56,550 --> 00:04:58,908
和数学预测值高度吻合

122
00:04:59,230 --> 00:05:00,928
那这些结构是怎么形成的

123
00:05:01,389 --> 00:05:03,028
这才是最精彩的部分

124
00:05:03,589 --> 00:05:05,588
蝴蝶鳞片在发育过程中

125
00:05:05,670 --> 00:05:08,369
细胞的滑面内质网膜会自发折叠成

126
00:05:08,430 --> 00:05:09,869
gyroid的形态

127
00:05:10,389 --> 00:05:11,369
没有任何基因说

128
00:05:11,790 --> 00:05:13,269
请你折成gyroid

129
00:05:13,589 --> 00:05:17,269
基因只是提供了膜的脂质组成和蛋白质环境

130
00:05:17,550 --> 00:05:19,709
然后膜在这些物理条件下

131
00:05:19,709 --> 00:05:22,228
自动找到了能量最低的折叠方式

132
00:05:22,550 --> 00:05:24,129
接着细胞凋亡

133
00:05:24,509 --> 00:05:25,949
角质蛋白沉积

134
00:05:26,269 --> 00:05:30,709
把这个活的几何形状永久定格成了固态的光子晶体

135
00:05:31,149 --> 00:05:33,629
光走进这个周期性结构之后

136
00:05:33,790 --> 00:05:35,389
发生布拉格衍射

137
00:05:35,750 --> 00:05:39,228
只有特定波长的光被选择性反射出来

138
00:05:39,509 --> 00:05:42,689
这就是蝴蝶翅膀上那些不可思议的金属蓝

139
00:05:43,110 --> 00:05:44,428
翡翠绿的来源

140
00:05:44,990 --> 00:05:46,988
蝴蝶从来没有学过光学

141
00:05:47,149 --> 00:05:49,269
它甚至不知道颜色是什么

142
00:05:49,470 --> 00:05:51,389
但是它细胞里的膜

143
00:05:51,470 --> 00:05:53,069
在热力学的引导下

144
00:05:53,149 --> 00:05:56,160
自动搭建了人类工程师至今都难以

145
00:05:56,160 --> 00:05:58,108
完美复制的光子晶体

146
00:05:58,389 --> 00:06:02,509
二零一七年发表在科学进展上的论文更进一步指出

147
00:06:02,670 --> 00:06:04,869
蝴蝶翅膀里的gyroid结构

148
00:06:04,870 --> 00:06:08,348
是细胞内膜发育过程的一个时间冻结的快照

149
00:06:08,389 --> 00:06:09,389
换句话说

150
00:06:09,430 --> 00:06:11,588
你看到的蝴蝶翅膀上的颜色

151
00:06:11,670 --> 00:06:14,848
其实是一个细胞在死亡瞬间的膜形态被

152
00:06:14,870 --> 00:06:16,309
永远保存了下来

153
00:06:16,389 --> 00:06:18,749
这个画面本身就够诗意的了

154
00:06:18,910 --> 00:06:21,509
一个活细胞在生命的最后时刻

155
00:06:21,509 --> 00:06:24,588
把自己折叠成了一种数学上最完美的形状

156
00:06:24,709 --> 00:06:26,309
然后以这个姿态凝固

157
00:06:26,350 --> 00:06:28,788
变成了你在阳光下看到的那抹蓝

158
00:06:29,230 --> 00:06:30,428
顺便说一句

159
00:06:30,430 --> 00:06:33,540
人类的材料科学家一直在试图复制蝴蝶的

160
00:06:33,540 --> 00:06:34,908
这种光子晶体

161
00:06:35,069 --> 00:06:37,389
因为它的光学性能太优秀了

162
00:06:37,430 --> 00:06:40,709
不用任何颜料就能产生高纯度的结构色

163
00:06:41,110 --> 00:06:42,348
但到目前为止

164
00:06:42,470 --> 00:06:46,220
在纳米尺度上精确复制gyroid结构仍然是

165
00:06:46,220 --> 00:06:47,869
一个巨大的工程挑战

166
00:06:48,149 --> 00:06:52,149
蝴蝶用一套自组装的生物化学过程就搞定了的事情

167
00:06:52,430 --> 00:06:56,028
人类用最先进的纳米加工技术都做不到完美

168
00:06:56,350 --> 00:06:56,528
好

169
00:06:56,990 --> 00:06:58,149
蝴蝶说完了

170
00:06:58,750 --> 00:07:01,069
现在看一个更让人震惊的例子

171
00:07:01,629 --> 00:07:02,428
树鼩

172
00:07:02,629 --> 00:07:06,389
一种生活在东南亚热带森林里的小型哺乳动物

173
00:07:06,670 --> 00:07:07,988
体型像松鼠

174
00:07:08,149 --> 00:07:11,389
和人类的亲缘关系其实比你想象的要近

175
00:07:11,550 --> 00:07:13,149
它是灵长目的近亲

176
00:07:13,550 --> 00:07:14,749
一九九七年

177
00:07:14,910 --> 00:07:18,189
德国科学家在研究树鼩视网膜的时候发现

178
00:07:18,509 --> 00:07:22,348
它视锥细胞的内节里有一种异常巨大的线粒体

179
00:07:22,629 --> 00:07:25,749
普通线粒体直径大概零点五到一微米

180
00:07:25,949 --> 00:07:27,749
但树鼩的这些线粒体

181
00:07:27,790 --> 00:07:29,408
直径达到六到八微米

182
00:07:29,949 --> 00:07:31,189
大了将近十倍

183
00:07:31,470 --> 00:07:34,189
更令人费解的是它们的内膜结构

184
00:07:34,550 --> 00:07:37,069
普通线粒体的嵴是板层状的

185
00:07:37,069 --> 00:07:39,588
像书页一样一层一层叠起来

186
00:07:39,870 --> 00:07:42,588
但树鼩这些巨型线粒体的嵴

187
00:07:42,709 --> 00:07:46,668
折叠成了八到十二层的gyroid立方体膜排列

188
00:07:46,910 --> 00:07:49,709
和蝴蝶翅膀里的是同一种数学结构

189
00:07:49,949 --> 00:07:50,728
这能干什么

190
00:07:51,149 --> 00:07:53,600
二零二三年发表在膜科学期刊上的

191
00:07:53,600 --> 00:07:55,829
三维模拟研究揭示了答案

192
00:07:56,230 --> 00:07:58,848
这种多层gyroid排列可以同时实现

193
00:07:58,910 --> 00:08:00,228
三种光学功能

194
00:08:00,389 --> 00:08:00,728
第一

195
00:08:01,149 --> 00:08:02,788
充当多焦点透镜

196
00:08:02,790 --> 00:08:04,509
像一个微型变焦镜头

197
00:08:04,589 --> 00:08:07,468
把不同波长的光聚焦到不同的焦平面

198
00:08:07,709 --> 00:08:08,048
第二

199
00:08:08,629 --> 00:08:10,869
作为角度无关的干涉滤光片

200
00:08:11,029 --> 00:08:12,829
选择性地阻挡紫外线

201
00:08:12,949 --> 00:08:16,668
保护视锥细胞的感光色素不被紫外辐射损伤

202
00:08:17,310 --> 00:08:17,649
第三

203
00:08:18,149 --> 00:08:19,908
形成波导光子晶体

204
00:08:20,029 --> 00:08:23,629
把光精确地引导到感光色素分子所在的位置

205
00:08:23,870 --> 00:08:25,749
你想想这意味着什么

206
00:08:25,910 --> 00:08:28,569
线粒体在我们教科书里是什么角色

207
00:08:29,230 --> 00:08:30,509
细胞的发电站

208
00:08:30,670 --> 00:08:33,869
负责合成三磷酸腺苷给细胞供能

209
00:08:34,149 --> 00:08:36,788
但是在树鼩的视锥细胞里

210
00:08:36,909 --> 00:08:40,708
线粒体同时变成了一个精密的光学透镜系统

211
00:08:41,029 --> 00:08:41,849
一个细胞器

212
00:08:42,269 --> 00:08:43,229
既在产能

213
00:08:43,230 --> 00:08:44,828
又在处理光信号

214
00:08:45,190 --> 00:08:47,068
这种一器两用的设计

215
00:08:47,070 --> 00:08:48,908
靠的不是额外的零部件

216
00:08:48,950 --> 00:08:53,068
而仅仅是把内膜折叠成了一种特定的数学形状

217
00:08:53,389 --> 00:08:54,708
你停下来想一想

218
00:08:55,029 --> 00:08:56,389
如果有人告诉你

219
00:08:56,429 --> 00:09:00,229
你家的暖气片同时也是一台高分辨率显微镜

220
00:09:00,389 --> 00:09:01,808
你会觉得不可思议吧

221
00:09:02,590 --> 00:09:05,269
但树鼩的线粒体就在做这件事

222
00:09:05,629 --> 00:09:07,948
而它实现这个奇迹的唯一秘诀

223
00:09:07,990 --> 00:09:11,428
就是把自己的内膜折叠成了gyroid的形状

224
00:09:11,750 --> 00:09:12,568
同样的材料

225
00:09:12,909 --> 00:09:14,349
同样的化学成分

226
00:09:14,509 --> 00:09:16,188
只是几何形状变了

227
00:09:16,230 --> 00:09:17,989
功能就多了一个维度

228
00:09:18,269 --> 00:09:19,989
这就是几何的力量

229
00:09:20,309 --> 00:09:22,269
形状本身就是信息

230
00:09:22,669 --> 00:09:25,229
这个形状不是树鼩自己发明的

231
00:09:25,230 --> 00:09:27,708
就像蝴蝶也不是自己发明的一样

232
00:09:27,789 --> 00:09:29,028
是物理约束

233
00:09:29,070 --> 00:09:32,469
在膜的脂质组成和蛋白质环境确定之后

234
00:09:32,509 --> 00:09:34,869
自动把它们引导到了同一个终点

235
00:09:35,470 --> 00:09:37,629
然后还有更匪夷所思的

236
00:09:37,750 --> 00:09:38,369
变形虫

237
00:09:38,629 --> 00:09:40,668
一种单细胞的原生生物

238
00:09:40,870 --> 00:09:42,188
在应激条件下

239
00:09:42,190 --> 00:09:44,948
比如营养匮乏或者渗透压突变

240
00:09:45,029 --> 00:09:47,568
它细胞内的膜系统也会自发重组为

241
00:09:47,669 --> 00:09:49,548
gyroid立方体膜

242
00:09:50,190 --> 00:09:53,629
绿藻水绵在紫外线胁迫下同样如此

243
00:09:53,710 --> 00:09:57,269
这是二零一七年发表在原生质体期刊上的研究

244
00:09:57,669 --> 00:09:59,708
现在把名单排出来看看

245
00:10:00,309 --> 00:10:01,928
蝴蝶是节肢动物门

246
00:10:02,669 --> 00:10:04,269
树鼩是哺乳纲

247
00:10:04,629 --> 00:10:06,828
变形虫是原生生物界

248
00:10:07,110 --> 00:10:09,188
绿藻水绵是植物界

249
00:10:09,470 --> 00:10:13,229
这四种生物覆盖了真核生命的几乎所有大类

250
00:10:13,710 --> 00:10:15,629
它们的最近共同祖先

251
00:10:15,750 --> 00:10:18,109
保守估计在十五亿年前

252
00:10:18,470 --> 00:10:21,269
但它们面对完全不同的功能需求

253
00:10:21,389 --> 00:10:26,749
产生颜色、聚焦光线、稳定膜结构、抵抗紫外损伤

254
00:10:27,070 --> 00:10:30,349
最终全都收敛到了同一种几何形状

255
00:10:30,710 --> 00:10:34,229
这绝不是某个基因被传承了十五亿年的故事

256
00:10:34,509 --> 00:10:37,028
这是物理定律本身在做选择

257
00:10:37,350 --> 00:10:38,989
我想在这里停一下

258
00:10:39,389 --> 00:10:42,469
请你闭上眼睛花三秒钟体会一件事

259
00:10:43,149 --> 00:10:44,708
如果你是一张薄膜

260
00:10:44,830 --> 00:10:48,609
你被要求在三维空间里最大程度地增加表面积

261
00:10:49,070 --> 00:10:51,928
同时让自己每一个点上的应力完全均匀

262
00:10:52,470 --> 00:10:55,788
同时让自己在宇宙中存在的能量代价最小

263
00:10:55,990 --> 00:10:58,869
你能找到的唯一答案就是gyroid

264
00:10:59,029 --> 00:11:01,188
不是因为有人帮你选择了它

265
00:11:01,350 --> 00:11:03,109
而是因为除了它之外

266
00:11:03,230 --> 00:11:06,389
没有别的形状能同时满足这三个条件

267
00:11:06,710 --> 00:11:09,428
这就是所谓造物主偏好的本质

268
00:11:09,750 --> 00:11:12,349
不是一个超自然存在的审美选择

269
00:11:12,509 --> 00:11:15,068
而是物理定律本身的结构限制

270
00:11:15,629 --> 00:11:18,109
它不需要被编码在任何基因里

271
00:11:18,470 --> 00:11:21,448
它只需要膜存在、需要三维空间存在

272
00:11:21,789 --> 00:11:23,509
需要能量守恒存在

273
00:11:23,629 --> 00:11:24,989
它就必然涌现

274
00:11:25,509 --> 00:11:27,869
水往低处流不需要被编程

275
00:11:28,350 --> 00:11:31,188
膜往gyroid弯也不需要被编程

276
00:11:31,509 --> 00:11:33,428
但故事还有最后一层

277
00:11:33,750 --> 00:11:35,509
这一层涉及到你和我

278
00:11:35,950 --> 00:11:37,389
近年来的研究发现

279
00:11:37,509 --> 00:11:39,969
gyroid立方体膜结构里富含一种

280
00:11:40,029 --> 00:11:41,428
特殊的脂质分子

281
00:11:41,629 --> 00:11:42,989
叫缩醛磷脂

282
00:11:43,549 --> 00:11:47,028
缩醛磷脂的化学结构里有一个乙烯基醚键

283
00:11:47,190 --> 00:11:48,749
这个键极其特殊

284
00:11:49,149 --> 00:11:51,229
当自由基攻击细胞膜的时候

285
00:11:51,629 --> 00:11:56,269
缩醛磷脂会优先牺牲自己的乙烯基醚键来中和自由基

286
00:11:56,629 --> 00:12:00,349
从而保护膜上其他功能性脂质不被氧化损伤

287
00:12:00,789 --> 00:12:03,589
它就像一个主动替队友挡子弹的卫兵

288
00:12:03,909 --> 00:12:07,168
二零二五年发表在美国实验生物学联合会

289
00:12:07,429 --> 00:12:09,828
生物进展杂志上的综述指出

290
00:12:09,990 --> 00:12:14,509
缩醛磷脂在阿尔茨海默症患者的大脑中显著下降

291
00:12:14,710 --> 00:12:18,389
而且下降程度与认知损伤的严重性相关

292
00:12:18,669 --> 00:12:22,389
补充缩醛磷脂可以降低伽马分泌酶的活性

293
00:12:22,629 --> 00:12:27,349
而伽马分泌酶正是催化贝塔淀粉样蛋白合成的关键酶

294
00:12:27,789 --> 00:12:31,200
美国拉什大学记忆与衰老项目长达数年的

295
00:12:31,200 --> 00:12:32,548
追踪数据显示

296
00:12:32,750 --> 00:12:35,629
血浆缩醛磷脂水平更高的老年人

297
00:12:35,669 --> 00:12:38,068
患痴呆症的风险明显更低

298
00:12:38,429 --> 00:12:40,009
你有没有注意到这里的逻辑链

299
00:12:40,870 --> 00:12:44,480
gyroid极小曲面为缩醛磷脂提供了最稳定的

300
00:12:44,480 --> 00:12:45,749
膜内栖息结构

301
00:12:46,070 --> 00:12:48,229
因为曲面弯曲能量最低

302
00:12:48,470 --> 00:12:50,149
膜应力分布最均匀

303
00:12:50,470 --> 00:12:52,469
脂质分子坐得最舒服

304
00:12:52,750 --> 00:12:54,629
而缩醛磷脂反过来

305
00:12:54,629 --> 00:12:58,039
用自己的抗氧化能力保护了gyroid膜不被

306
00:12:58,039 --> 00:12:59,188
自由基瓦解

307
00:12:59,470 --> 00:13:00,609
结构稳定了分子

308
00:13:01,029 --> 00:13:02,788
分子保护了结构

309
00:13:03,029 --> 00:13:05,229
这是一个双向的正反馈循环

310
00:13:05,710 --> 00:13:07,649
而当这个循环被打破的时候呢

311
00:13:08,110 --> 00:13:09,109
随着衰老

312
00:13:09,110 --> 00:13:11,629
缩醛磷脂的合成能力逐渐下降

313
00:13:11,830 --> 00:13:13,589
膜的抗氧化防线崩溃

314
00:13:13,750 --> 00:13:15,828
gyroid结构退化坍塌

315
00:13:16,070 --> 00:13:17,489
更多脂质被氧化

316
00:13:17,870 --> 00:13:19,509
更多结构被破坏

317
00:13:19,710 --> 00:13:22,948
这个负反馈螺旋一旦启动就很难逆转

318
00:13:23,269 --> 00:13:26,509
我们的大脑也许不是坏在某一个基因突变上

319
00:13:26,750 --> 00:13:30,188
而是坏在一种几何结构的缓慢坍塌上

320
00:13:30,389 --> 00:13:31,869
不是软件出了错

321
00:13:31,909 --> 00:13:34,428
是硬件的物理形态维持不住了

322
00:13:34,629 --> 00:13:37,229
这个角度让我重新理解了衰老

323
00:13:37,549 --> 00:13:40,548
我们通常觉得衰老是化学层面的事

324
00:13:40,789 --> 00:13:42,068
基因表达变了

325
00:13:42,070 --> 00:13:43,688
蛋白质错误折叠了

326
00:13:44,110 --> 00:13:45,428
自由基积累了

327
00:13:45,629 --> 00:13:47,469
但如果再往下挖一层

328
00:13:47,549 --> 00:13:49,389
这些化学事件的容器

329
00:13:49,389 --> 00:13:51,229
就是膜的几何结构

330
00:13:51,549 --> 00:13:55,788
容器的形状决定了里面的化学反应能否正常发生

331
00:13:56,110 --> 00:13:59,129
当容器的形状从gyroid这种最稳定的

332
00:13:59,149 --> 00:14:02,188
极小曲面退化为普通的无序结构

333
00:14:02,429 --> 00:14:04,788
容器里的化学也就跟着乱了

334
00:14:05,070 --> 00:14:07,308
所以也许衰老的本质之一

335
00:14:07,309 --> 00:14:08,668
是几何退化

336
00:14:08,950 --> 00:14:10,908
是物理形态先崩溃

337
00:14:11,029 --> 00:14:13,149
化学功能再跟着崩溃

338
00:14:13,309 --> 00:14:13,489
好

339
00:14:13,990 --> 00:14:16,308
最后来把今天的线索收一收

340
00:14:16,590 --> 00:14:17,708
一九七零年

341
00:14:17,710 --> 00:14:20,168
一个在宇航局上班的数学家在纸上

342
00:14:20,230 --> 00:14:22,229
推导出了一种理论曲面

343
00:14:22,509 --> 00:14:23,548
五十多年后

344
00:14:23,669 --> 00:14:27,649
生物学家在蝴蝶翅膀、树鼩眼球、变形虫细胞

345
00:14:28,029 --> 00:14:31,188
绿藻叶绿体里反复发现这同一种结构

346
00:14:31,389 --> 00:14:31,928
再然后

347
00:14:32,269 --> 00:14:33,708
医学研究者发现

348
00:14:34,669 --> 00:14:37,389
这种结构里面安住的一种脂质分子

349
00:14:37,429 --> 00:14:41,269
可能是大脑对抗衰老和退行性疾病的关键防线

350
00:14:41,710 --> 00:14:44,129
一个数学家的笔尖、一只蝴蝶的翅膀

351
00:14:44,590 --> 00:14:47,788
一个阿尔茨海默症患者正在坍塌的大脑

352
00:14:48,470 --> 00:14:49,749
它们之间的距离

353
00:14:49,750 --> 00:14:52,269
原来只有一张极小曲面的厚度

354
00:14:52,549 --> 00:14:55,548
但今天最核心的问题不是这些具体应用

355
00:14:55,669 --> 00:14:57,349
我想把这个问题留给你

356
00:14:57,470 --> 00:15:01,389
一个纯粹从能量最小化原则推导出来的数学形状

357
00:15:01,509 --> 00:15:03,808
为什么恰好是生命解决光学难题

358
00:15:03,990 --> 00:15:06,649
结构难题、生化难题的万能钥匙

359
00:15:07,230 --> 00:15:10,149
是宇宙的数学底层恰好适合生命

360
00:15:10,190 --> 00:15:13,009
还是生命只能存在于这种数学底层之上

361
00:15:13,669 --> 00:15:16,269
这两句话听起来像是在说同一件事

362
00:15:16,269 --> 00:15:17,788
但指向完全不同

363
00:15:18,110 --> 00:15:20,389
前者意味着宇宙是先存在的

364
00:15:20,470 --> 00:15:22,229
生命是后来的适应者

365
00:15:22,470 --> 00:15:23,548
后者意味着

366
00:15:23,549 --> 00:15:27,269
也许这种数学结构本身就是生命的必要条件之一

367
00:15:27,350 --> 00:15:28,908
就像水和碳一样

368
00:15:29,029 --> 00:15:31,188
只是我们还没把它写进教科书

369
00:15:31,509 --> 00:15:32,048
你怎么看

370
00:15:32,509 --> 00:15:33,489
你倾向于哪一种

371
00:15:34,029 --> 00:15:35,749
我真的很好奇你们的想法

372
00:15:36,070 --> 00:15:36,769
我是王利杰

373
00:15:37,110 --> 00:15:38,149
我们下期见