http://phys.org/news/2016-11-scientists-similarity-human-cells-neutron.html
By Julie Cohen
November 1, 2016
人類與宇宙比我們所以為的要更加一致。根據發表在 Physical Review C 期刊上的一項研究，中子星（neutron stars）與細胞質（cell cytoplasm）有一些共通之處：類似多樓層室內停車場的結構。
在 2014 年，UC Santa Barbara 軟凝態--物質物理學家（soft condensed-matter physicist）Greg Huber 等人，在一種胞器，稱為內質網（endoplasmic reticulum，ER）當中，探索了一種生物物理學的形狀 -- 連結成堆均勻間隔之片狀物的螺旋形（helices that connect stacks of evenly spaced sheets）。 Huber 與其同僚依據其發現者的名字，Mark Terasaki（Connecticut 大學的細胞生物學家），將它們封為：Terasaki ramps（寺崎斜坡）
Huber 認為這些「室內停車場」在軟物質（soft matter，例如細胞內部）中是獨一無二的，直到他無意間發現 Indiana 大學核物理學家 Charles Horowitz 的研究。利用電腦模擬，Horowitz 及其團隊在中子星表層深處發現了相同的形狀。
"我打電話給 Chuck 並問他是否察覺到，我們曾在細胞中看過類似結構並為它們提出一種模型，" Huber 說，他是 UCSB Kavli 理論物理學研究所（KITP）的副所長。"那對他而言是新聞，所以我明白這邊應該有某些具有價值的互動。"
共同研究的成果，在 Physical Review C 中受到關注，探索了二種非常不一樣的物質模型之間的關係。
核物理學家對於他們在高性能中子星電腦模擬中所見到的整個形狀種類，已有一個貼切的術語：nuclear pasta（中子義大利麵）。這些包括螺旋形所連接的管狀（spaghetti，義大利直麵）與平行片狀（lasagna，千層麵），那類似 Terasaki ramps（寺崎斜坡）。
"他們看到了我們在細胞內所見形狀的變體，" Huber 解釋。"我們看見了管狀網路；我們看到了平行的片狀物。我們在我們稱為 Terasaki ramps 的整個拓樸缺陷（topological defects）中看到片狀物彼此互連。所以這些平行物相當的深。"
然而，檯面下的物理學可以找到差異性。一般來說，物質是由它的相（phase）來描述其特性，而相則依據熱力學變數：密度（或體積）、溫度與壓力 -- 這些因子在核的層次以及在細胞內大不相同。
"就中子星而言，強核力與電磁力創造了一個基本上是量子力學的問題，" Huber 解釋，"在細胞內部，將膜維持在一起的力量基本上是熵（entropic）（譯註：entropic force？）且與該系統整體自由能的最小化有關。乍看之下，這些根本風馬牛不相及。"
另一種差異性在於尺度（scale）。在核的例子中，這些結構是基於質子與中子這樣的核子，而這些建構基石是以飛米（femtometers，10^-15）來測量。而像 ER 這樣的胞內膜，長度尺度是奈米（10^-9）。二者間的比例差了百萬分之一（10^-6）倍，然二者體制間的巨大差異卻造就出相同的形狀。
"這意味在如何為核系統塑模上，有某些深層的東西我們仍不明白， Huber 說。"當你有一群稠密的質子與中子，如同中子星表面那樣，強核力與電磁力一起產生作用，賦予你一種物質的相，如果你只看這些力量作用在一小群的中子與質子上，你將無法預測。"
結構的相似性，吸引了理論與核子物理學家之流的目光。核物理學家 Martin Savage 那時在 KITP，當他偶然看見一張來自 arXiv（網路上收集預印版物理學、數學、電腦科學論文的資料庫）一篇新論文的圖片時，他的好奇心瞬間被激起。
"類似的物質相在生物系統內浮現，令我非常驚訝，" Savage，現在是Washington 大學教授。"這裡肯定有某件有趣的事。"
共同作者 Horowitz 表示贊同。"在如此截然不同的系統中看到非常類似的形狀，暗示一個系統的能量也許以某種簡單且普適的方式與其形狀相依，" 他說。
Huber 提到，這些相似性仍然有點神秘。"我們的論文並非某件事情的終結，" 他說。"它實際上是看待這二種模型的開始。"
※ 相關報導：
＊ “Parking-garage” structures in nuclear astrophysics and cellular biophysics
http://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.94.055801
D. K. Berry, M. E. Caplan, C. J. Horowitz, Greg Huber,＊ 光的黑暗面-- 碎形的光渦流
and A. S. Schneider
Phys. Rev. C 94, 055801 – Published 1 November 2016
doi: 10.1103/PhysRevC.94.055801
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