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【院士风采】在“非线性”的世界里徜徉—访北京大学物理学院欧阳颀教授


 

 2013年12月19日,中国科学院公布了2013年新当选院士名单,北京大学共有五位教授当选为中国科学院院士,来自物理学院非线性物理专业的欧阳颀教授,就是这五位教授中的一员。从图灵斑图到合成生物学,欧阳颀教授将自己的专业领域与研究成果,与记者娓娓道来。

 

 

 

 

 

探索斑图的奥秘

欧阳颀1982年毕业于清华大学物理化学与分析化学本科,1986至1989年在法国波尔多第一大学学习,获得物理化学博士学位,1989年于美国德洲大学奥斯丁分校工作,1996年受聘于日本电器公司(NEC)在美国的研究中心。

“一开始,在国外的时候,主要研究的是图灵斑图以及螺旋波。”欧阳颀介绍道,“当然,直到今天也还在研究。”

“所谓图灵斑图,是图灵在1952年提出一个设想,在一个反应扩散系统中,如果把它拉到远离平衡态的位置,它就会自主形成一些有序的花纹,比如像豹子的斑点、斑马的条纹。那么,它里面的动力学机制是什么?我们就通过实验去研究这个机制,这就是所谓反应扩散系统中图灵斑图的形成机制。”

“反应扩散系统中的螺旋波,也是一种自主行为。图灵斑图不随时间变化,而螺旋波随时间变化,在空间上、时间上都是有序的,形成一种波纹。螺旋波这种斑图的稳定性比较差,失稳以后,会引起混乱,我们把这种混乱叫做时空混沌或螺旋波混沌。而我们所研究的,就是为什么这个系统会从一种有序的状态变成无序的状态,它里面的机制是什么。”

对螺旋波的研究,还与心脏病的治疗息息相关。“比如,心颤致死的过程,就与螺旋波的失稳有密切关系。如果能掌握螺旋波的运动规律,我们可能会对心律不齐、心颤现象的治疗起到帮助作用。”2010年1月,欧阳颀教授研究团队的成果“非线性科学在心颤机理及系统生物学中细胞周期控制上的应用研究”,荣获2009年度国家自然科学二等奖。

 

以物理为基础的多方向研究

1998年,欧阳颀回到中国,担任北京大学物理学院教授,同年被评为长江特聘教授。“现在我的研究,主要是以非线性动力学为核心,以物理为基础,并向其它方向延伸,这些方向主要包括系统生物学、合成生物学、定量生物学。”

“我所涉及的系统生物学,是用非线性动力学的理论来解释生物系统。从系统的角度来看生物,关键是把它看成一个整体。而这个整体的核心部分,就是它的生物网络。”欧阳颀解释道,“我们再去分解这个网络。如果把网络的每一个节点看成是一个变量,那就可以建立起一个非常复杂的非线性动力方程。网络本身的结构、非线性动力方程的动力学性质,以及这个网络的功能这三者之间,有着非常紧密的关系。我们的工作,就是研究这些关系。比如,我知道了网络的结构,那么怎样来推断它的动力学性质和它的功能,反之亦然。这就是我们在理论方面的一些研究工作。”

“在实验方面,我们主要是做一些系统生物学和合成生物学方面的实验。在系统生物学方面,我们主要是配合系统生物学理论,在理论指导下进行实验,在实验中证实或证伪我们的一些理论。比如我们以前做过一个对酵母菌细胞周期的研究,就是系统生物学方面的工作。”

在合成生物学方面,欧阳颀指出,生物学领域研究的不断深化,促进了合成生物学的发展:“其实,几十年前就已经有‘合成生物学’这个词了。但是在那时,生物学还没有达到定量的程度,我们对生物只有一些表面的了解。随着近十几年来生物学的发展,一方面,生物学本身越来越向定量走,我们有了很多定量的刻画;另一方面,人类基因组计划等组学的出现,让我们可以从系统层次上,对生物学有一个大致的了解。在此背景之下,合成生物学也被重新提起。”

那么,什么是合成生物学?“从工程角度来讲,就是创造一个新的东西来为人类服务;从科学角度来讲,就是在创造的过程中,去进一步了解生物系统。后者是我主要做的工作。我们给一个生物创造它本身没有的功能,或者把这个生物没有、而别的生物有的功能转移给它。而我们也在这个过程中,更好地了解生物到底是怎么工作的。这就是合成生物学。”

欧阳颀还向记者介绍了自己最近所做的合成生物学方面的研究:“我们知道,巴普洛夫证明了狗有条件反射。而一个大肠杆菌是没有条件反射的。那么我们就要设计一个网络、一个控制系统,把条件反射搬到大肠杆菌上去,让它有这个功能。这看起来好像没什么用,但是在研究过程中,我们了解到了很多生物学细节上的东西。”

 

让学生喜欢上热学

科研之外,欧阳颀还承担着教学的任务。“我上两门课,一门是给一年级本科生开的热学课,已经上了七八年;还有一门是非线性动力学,是给研究生和高年级本科生开的专业课。”

“我的课很严的。”欧阳颀笑道。

“热学的概念比较难建立,我在热学课上花了好多工夫。”

欧阳颀的努力,拉近了学生与热学之间的距离:“伴随着他的一点点讲解,我才逐渐明白了热学是什么、是在研究什么,然后逐渐喜欢上了这门学问,喜欢上了它看待事物的态度和解决问题的方法。”欧阳颀老师的一位学生如是说。

不仅如此,欧阳颀的课程,还在潜移默化之间,影响着学生的治学态度。“欧阳颀老师身材十分高大,气势十足,声音洪亮,所以听他讲课往往能听出一种‘傲视群雄’的感觉。他的这份从容与自信,对我以后进行研究时的心态还有过很大的影响。”

 

“院士只是一个荣誉”

关于院士,欧阳颀有着自己的理解和感受。

“以前,人们对于院士,有两种比较极端的想法。一种是把院士贬得一塌糊涂,觉得院士都是腐败分子、特权阶层,这肯定是不对的。我认识的许多院士,从离我最近的物理学院的几位来说,像我们原来的校长陈佳洱,我们的老院士甘子钊、杨应昌、秦国刚,他们都是勤勤恳恳地工作,而不是像外面传说的所谓‘院士’的样子。而另一种,是把院士的地位提得特别高,把院士看成精英甚至神仙,惟院士马首是瞻,这也不对。现在,社会对院士的评价,已经基本回归到比较真实的水平,而不像以前那样,有两种极端的想法。”

“院士只是一个荣誉。”欧阳颀说。

“院士只是对你以前所做工作的一个肯定,它跟你以后的工作没关系。所以说,院士其实是一种荣誉,但并不是说你有多大本事;院士是对你以前工作的肯定,但并不是说你以后也还会干出同样好的工作。”