也就是說，任何不與外界交流的事物，必然會從有序狀態變為無序狀態，從確定的、有規律的狀態變為無規律的、混亂的狀態。
熵增原理揭示了宇宙萬物演化的終極規律，但生命卻不斷地將“無序”變為“有序”。薛定諤在《什麽是生命》中說，“人是違背熵增規律而生活的，生命是靠負熵而生活的。”
那麽當生命科學遇上物理學，會碰撞出什麽火花呢？
盛輝合成生物邀請了來自中國科學院深圳高級研究院合成生物學研究所定量合成生物學中心的傅研究員與我們分享他在物理學和合成生物學領域的交叉研究。
傅畢業於浙江大學物理系，獲學士學位，並在香港大學獲得物理學博士學位。後赴耶魯大學分子、細胞和發育生物學系進行博士後培養，研究細菌趨化性的協調機制。2016來到合成所建立獨立實驗室開展研究。
實驗室的主要研究方向是利用定量合成生物學方法，將數學模型與定量實驗相結合，研究生物系統中的基本問題，包括生物空間擴展系統有序結構的形成機制。
傅告訴合生生物，合成生物學的終極目標是在理解生命系統原理的基礎上，設計制造出壹個生命系統。這個過程並不是簡單地將核酸、蛋白質等生物成分組合起來，而是遵循壹定的設計原則，使各個成分組合成壹個整體後，就會產生單個成分所不具備的功能，也可以稱之為生物功能的“湧現”。然而，生命系統的設計原則目前還不完全清楚。
這也是合成生物學未來發展需要解決的問題。今年9月，在北京香山召開的“定量合成生物學”學術研討會(香山科學大會s64學術研討會)上，40多位專家學者就合成生物學的基礎理論研究、技術創新和工程應用以及我國在合成生物學領域的發展戰略進行了深入而富有建設性的探討。
中科院院士、中科院深高院合成生物學研究所劉所長近日撰文總結(點擊進入:中國迎來定量合成生物學發展的重要機遇)，提出構建理論(理性設計)、技術(合成能力)、工程(自動化平臺)相輔相成的合成生物學體系，推動合成生物學研究從定性、描述性、局部性研究向定量、理論性、整體性研究轉變。
傅說，“會上提出的核心科學問題是如何理解生命功能的產生和生命系統運行的原理，以達到真正的工程理性設計，而如何研究生命系統，其實和研究物理科學中的復雜系統非常相似。”
2021年諾貝爾物理學獎頒給了舒朗振國和克勞斯？哈塞爾曼和喬治？帕裏西因“從物理上模擬地球氣候，量化可變性並可靠地預測全球變暖”和“發現從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動之間的相互作用”而獲獎。這兩項研究為理解地球氣候和宇宙兩大復雜系統提供了理論基礎。
復雜系統充滿了“隨機性”和“無序性”，生命系統也是如此。傅說，“生命系統可能是自然界中最復雜的系統之壹，許多具有統計物理學背景的研究人員正逐漸轉向研究生命系統。合成生物技術可以為復雜生命系統的研究提供更多的手段。”
近日，傅團隊在《eLife》雜誌上發表文章，揭示了細菌集群通過有序隊列遷移的協調機制。
就像宏觀世界的東非動物大遷徙壹樣，在微觀世界，微生物也會成群遷徙。細菌可以轉動鞭毛，在液體中遊泳。在趨化因子的吸引下，細菌可以向各個方向隨機遊動，慢慢向趨化因子濃度高的方向靠近。
不同的細菌個體對化學引誘劑的敏感性不同，因此遷移速度也不同。當細菌作為壹個群體遷移時，對化學引誘劑濃度不敏感的細菌雖然處於群體的末端，但並沒有被拋在後面，而是緊緊跟隨敏感的細菌，形成緊湊有序的隊列，以相同的速度壹起移動。
此前，傅的實驗室與耶魯大學蒂埃裏·埃莫內(Thierry Emonet)的實驗室合作，發現這種有序的隊列對於細菌的菌落遷移非常重要。然而，細菌的個體運動總是在改變遊泳方向。如此有序的群體行軍隊列是如何從無序的個體隨機運動中“脫穎而出”的？
為了回答這個問題，研究人員跟蹤觀察了每種細菌的運動軌跡。結果表明，單個細菌在種群中的往復運動與趨化因子濃度有關，即隊列後面的趨化因子濃度低，細菌更容易被前面的趨化因子吸引而向前遊動。當細菌到達前方時，它們就失去了前進的動力，因為化學引誘劑的濃度在任何地方都是相似的。
正是由於這種機制，不同行動力的個體才能在同壹個群體中和諧共存，以相同的平均速度前進。再者，研究人員利用合成生物學人工調節細菌的敏感性，成功驗證了協調機制的作用。這壹發現不僅可以解釋許多生物的群體遷徙行為，也為人類社會更復雜的群體合作提供了參考。
合成生物學經過20多年的快速發展，也在經歷壹個從“無序”到“有序”的過程，這不僅體現在科研的研究方向上，也體現在政策布局、資本市場等諸多方面。院士和劉主任也在文章中指出，“為促進合成生物學的應用研究，應加強交叉學科和產業支撐”，“在解決基礎理論建設和技術概念驗證後，應加快產業化進程。
傅表示，中國合成生物產業仍處於初期階段，但已呈現出快速發展的態勢。目前，我國合成生物相關產業主要集中在DNA合成、生物基材料、氨基酸和維生素、工業酶制劑等應用領域。，湧現出金斯利生物、凱澤生物、華恒生物等壹批細分領域的新興公司。
在解決了基礎理論建設和技術概念驗證之後，我國迫切需要加快產業化進程。依托自動化設施平臺和“樓上樓下”等創新模式，“雙環耦合”驅動“全流程創新生態鏈”探索。在市場和資本的雙重推動下，加速我國技術壁壘的形成，塑造“卡住”和不被“卡住”的能力。
因此，中國國內的產、學、研、政應整合協調參與國家戰略科技力量建設；動員多主體以多種形式參與國家戰略科技力量在合成生物學領域的布局；積極推動國際話語權，參與國際合成生物學規則和標準的制定，展示我國合成生物學的科技實力。在政策的支持和保障下，* * *將推動合成生物科技、產業、教育的健康融合發展，最終回饋社會和中國社會經濟。
傅說，在這方面，高等研究院科研布局的邏輯是需求牽引和跨學科。壹方面，堅持需求牽引，即面向國家重大需求和經濟主戰場，根據國家和深圳不同發展時期的實際需求進行調整；另壹方面，堅持交叉學科是科研的常態，交叉學科的建立堅持“問題導向”。這種科研布局與傳統的壹級學科、二級學科有很大不同，是多學科交叉、集成創新。由於現代科學的發展，跨學科的趨勢越來越明顯。單靠壹個人解決重大科學問題是不可能的，需要多個學科共同攻關，而合成生物學正式成為交叉融合的前沿學科。
在凝聚人才團隊的基礎上，高綜院逐步構建了“科研-轉化-產業”的全鏈條企業培育模式。壹批學成歸來的青年科學家，來自哈佛、耶魯、杜克等世界頂尖學府的尖端科技人才，匯聚在合成生物學研究所的平臺上，壯大了我國合成生物學的研究力量。"
目前，研究院整體建設步入健康良性運行的軌道，初步形成了“科研+設施+學院+產業+資本”的模式，在深圳形成了集聚效應。深圳已成為中國乃至世界合成生物核心鎮，發展合成生物產業具有先天優勢。
寫在最後
在研究院的布局中，壹個重要的環節是今年在國內舉辦的首屆合成生物學大賽(以下簡稱“大賽”)，匯聚頂級協辦單位，推倒產業與學術界之間的“高墻”，旨在匯聚代表現在與未來的人才，打造國內頂尖的合成生物學大賽與創新孵化平臺。目前，創新大賽報名已結束團隊創建，進入實驗和準備期。
傅也是這次比賽的評委。談到這次比賽，他認為比賽只是壹個起點，整個賽程可能會很短。所以要做好賽後的科研工作，做出更完整的項目，有助於參賽同學走上科研之路。此外，大賽還設立了促進科研成果轉化的創業大賽。目前大賽創業大賽報名正在進行中，截止時間為2022年65438+10月18。有興趣參加創業大賽的團隊請及時報名。
他還期待壹些跨學科項目的出現，比如計算機、數學、法律和哲學，並希望出現更多新穎的想法來推動合成生物學的創新。