不僅僅是鳥類的眼睛，準晶體、隨機數(shù)陣、宇宙的大尺度結構，甚至乳濁液和膠質等軟物質系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了“超齊構體”的身影。而在對“超齊構體”現(xiàn)象研究的這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)了這種“超齊構體”材料有許多實用的新特性。

當圣路易斯華盛頓大學的喬·科爾博（Joe Corbo）教授透過顯微鏡觀察雞的眼睛裝片時，一些非常奇妙的東西映入了他的視野：分布在雞視網(wǎng)膜上的、用來感知色彩的視錐細胞竟以斑點狀的形態(tài)呈現(xiàn)出5種不同大小和顏色。更令科爾博教授感到吃驚的是，雞的視錐細胞排布呈現(xiàn)出一種他從未見過的模式：已知人類的視錐細胞是隨機分布的，許多魚類的視錐細胞則是整齊地一列列排布的，而雞類的視錐細胞居然是一種同時兼具偶然性和高度均勻性的分布模式。這些視錐細胞的斑點并沒有什么特定的分散規(guī)律，但是不同斑點之間的距離總是不遠不近。無論是單獨考察5種不同視錐細胞的任意一種，還是同時考察所有的視錐細胞，它們都呈現(xiàn)出一種迷人的隨機與秩序的統(tǒng)一。

科爾博被這種現(xiàn)象深深地迷住了。他和合作者希望能弄清楚這種視錐細胞呈現(xiàn)的圖案的形成過程以及它的功能。不過，此時的他并不知道這些類似問題在此之前是否已經(jīng)被許多人在不同的情境下問過，還是他通過這些生物學現(xiàn)象首次發(fā)現(xiàn)了一條在數(shù)學和物理學領域也時常出現(xiàn)的隱藏規(guī)律。

令人震驚的發(fā)現(xiàn)

科爾博覺得，這個問題的答案應該從鳥類視網(wǎng)膜本身的功能去尋找。鳥類的視覺一直非常出色，比如鷹就可以從一千米以外的高空鎖定一只小小的老鼠。科爾博的實驗室研究的課題，就是鳥類如何從進化性適應中得到如此出色的視力。

與哺乳動物不同，鳥類的眼睛有足夠長的時間在演化中優(yōu)化，它們視錐細胞的數(shù)量更多，分布也更為均勻?？茽柌┙淌诤退耐懈械嚼Щ蟮氖?，為什么鳥類的視錐細胞沒有演化出更為完美的秩序規(guī)則——比如網(wǎng)格或晶格狀排列呢？似乎看起來最有可能的解釋是，這種在鳥類視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的奇怪的、無法分類的分布是在某種未知約束條件下的最優(yōu)態(tài)。這些約束條件是什么？這種視錐細胞的分布是什么？鳥類的視覺系統(tǒng)是如何變成這樣子的？這些問題都還沒有答案。生物學家們已經(jīng)竭盡全力去尋找視網(wǎng)膜上細胞的分布規(guī)律，但這屬于他們不熟悉的領域，他們需要幫助。

2012年，科爾博教授聯(lián)系了普林斯頓大學的理論化學教授薩爾瓦托雷·托爾夸托（Salvatore Torquato），他是研究堆積問題的著名學者。所謂堆積問題，就是研究如何在有限維度中最密集地堆積物體的問題，而在這里，就是研究在鳥類視網(wǎng)膜的二維空間中如何排下最多的五種不同的視錐細胞。托爾夸托對這些視網(wǎng)膜圖案的數(shù)碼照片運行了一些算法，結果讓他完全驚呆了?？茽柌┙淌谡f：“他發(fā)現(xiàn)，他在這些視網(wǎng)膜圖案中觀察到的現(xiàn)象，同樣發(fā)生于許多無機化學和物理的系統(tǒng)之中?！?/p>

托爾夸托從21世紀初就開始研究這種他稱之為“超齊構體”的全新分布模式。從那之后，這種現(xiàn)象在不同系統(tǒng)中層出不窮：不僅僅是鳥類的眼睛，準晶體、隨機數(shù)陣、宇宙的大尺度結構，甚至乳濁液和膠質等軟物質系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了“超齊構體”的身影。而在對“超齊構體”現(xiàn)象研究的這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)了這種“超齊構體”材料有許多實用的新特性。

隱藏的規(guī)律

托爾夸托和他的一位同事研究“超齊構體”現(xiàn)象已有13年，為了從理論上闡釋這一現(xiàn)象，他們舉了一個簡單卻出人意料的例子：“想象你有許多玻璃彈珠，你把它們都放進一個瓶子里，使勁搖晃直到所有可移空間都被填滿，珠子不再移動，”托爾夸托在他普林斯頓的辦公室里說道，“類似這樣的系統(tǒng)，就是‘超齊構體’?！?/p>

上述情況中玻璃珠子的排布模式在學術上有著專業(yè)的名稱——最大隨機堵塞堆積，這種排布僅填滿所有區(qū)域的64%，剩下的區(qū)域留空。這種排布并不是已知球體最密集的堆積方式，已知的球體最密集堆積方式是晶格堆積（想象集裝箱里堆橘子的方式），這種排布能填滿總體積的74%。但是晶格排布并不是在所有情況下都能達到的，你不可能輕松地將一盒玻璃彈珠“搖”成無比規(guī)則的晶體狀分布，更不用說還要使五種不同大小的物體形成規(guī)則的晶格，托爾夸托解釋道，而這正是雞類視錐細胞所遇到的困境。

讓我們用放在水平桌面上的硬幣來代替視錐細胞?！叭绻阆朐谧烂嫔掀戒伻舾擅?美分硬幣，讓它們占的總面積最小，你肯定會選擇把它們排成最小單位為三角形的一種排布方式?！蓖袪柨渫羞@么說道，“但如果又加入了若干枚五美分硬幣呢？新加入的不同種硬幣將會阻礙整個體系形成規(guī)則的晶格。而鳥的視網(wǎng)膜中有5種不同的成分——想象桌面上又新添了10美分、25美分，還有其他別的硬幣——這必將使得體系的晶格化變得越來越困難?！蓖恚B類的幾種視錐細胞大小也各不相同，幾何學原理迫使它們無序化，但是在演化過程中無比激烈的競爭又希望視網(wǎng)膜能夠盡可能均勻地感光，即希望同種顏色感受細胞相距盡可能遠的距離。權衡利弊，“系統(tǒng)最后呈現(xiàn)出來的就是這樣一種無序超齊構體。”托爾夸托這樣解釋。

超齊構體讓鳥類在視覺方面最大限度地擁有了兩個優(yōu)勢因素：既有多達5種的視錐細胞，又讓每種視錐細胞近乎均勻地鑲嵌在視網(wǎng)膜上，這帶給了鳥類驚人的色彩分辨能力，只不過這種隱藏的規(guī)律我們還無法用自己的眼睛感知到。

群“材”薈萃

“我越深入地研究它，就越能發(fā)現(xiàn)它的原理是多么優(yōu)雅，它的概念是多么令人嘆服?！碑敽嗬た贫鳎℉enry Cohn）提起“超齊構體”時，他是這么形容的，“而且不單是它的理論，更讓我驚訝的是它廣泛的應用前景?！?/p>

當科學家們苦思冥想、試圖把所有線索都串在一起的時候，超齊構體材料的一些驚人特性也隨之浮出了水面：它們其實具備著一些晶體所特有的性質，而且還不那么易受結構差異的影響——在這點上，它們的性質更接近玻璃，或是其他一些沒有相干性的非晶體。在Optica雜志新發(fā)表的一篇論文中，以雷米·卡爾米納蒂（ Rémi Carminati）為首的法國科學家們報道致密的超齊構體材料可以被制作成透明材料，而同樣密度的無序布局材料卻達不到這一點，這是因為隱藏在微粒相對位置間的神秘規(guī)律干擾、抵消了散射光?！斑@些干擾因素破壞了光的散射，”卡爾米納蒂解釋道，“由于材料是勻質的，光線就直接透了過去?！边@種致密、透明的非晶體的材料到底有什么用？回答這個問題可能還為時尚早，“但是它們肯定有應用前景——尤其在光子學這一方面?！?/p>

去年秋天，從法國里昂高等師范學校的德尼·巴爾托洛（Denis Bartolo）為首的物理學家們在《物理評論快報》上發(fā)表了他們的研究成果，他們發(fā)現(xiàn)乳濁液的超齊構體是可以被特定振幅的晃動所誘發(fā)的，這一振幅標志了材料從可逆到不可逆性的臨界轉變：當體系以低于臨界振幅的幅度晃動時，分散在乳濁液體系中的微粒在每次晃動停止之后還可以回到它們之前的相對位置；而當體系以高于臨界振幅的幅度晃動時，微粒的運動就是不可逆的了。

巴爾托洛關于乳濁液超齊構體體系的研究成果已經(jīng)應用到了實踐當中，成為混合水泥、美容面霜、玻璃，甚至食物的簡易秘方?！盁o論何時，如果你想將小分子顆?；烊胍粓F漿糊之中，你永遠得面對惱人的攪拌問題，”他說道，“而研究超齊構體時找出的規(guī)律可能就能給我們帶來一種均勻分散固體小分子的新方法。你只要先找到該材料的特征振幅，然后用該振幅震蕩若干次，就能得到一個均勻混合的超齊構體分散體系了?！?/p>

托爾夸托和他們的合作者組建了一家名為Etaphase的創(chuàng)業(yè)公司，生產(chǎn)超齊構體光子回路——一種以光而不是電子為介質來傳輸信息的設備。幾年前，普林斯頓的科學家發(fā)現(xiàn)超齊構體材料存在“帶隙”，可以在傳播過程中屏蔽特定的頻率。帶隙使得數(shù)據(jù)的控制傳輸成為可能，因為被屏蔽的頻率可以用波導管來容納并引導。帶隙曾經(jīng)一度被認為是晶體材料所特有的性質，傳輸方向取決于晶體材料的對稱軸，這意味著光子波導只能沿著特定的方向傳播，制約了該材料作為電路的應用前景。不過，由于超齊構體材料沒有傳輸方向的限制，帶隙在這里可能更為實用，幫助我們造出能滿足任何需求的強力波導。

稿件來源：《環(huán)球科學》（《科學美國人》中文版）

撰文：Natalie Wolchover

翻譯：葉宣伽

———— 釋疑 ————

鳥類“多視錐超齊構體”是如何形成的

超齊構體系統(tǒng)主要分為兩類。第一類是在系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)時呈現(xiàn)出的超齊構體分布，準晶體（一類內(nèi)部原子不遵守重復規(guī)律排布，卻能完全鑲嵌滿空間的神奇固體）就是其中之一。在這一類平衡系統(tǒng)之中，微粒間的相互斥力使不同成分間保持距離，從而維系超齊構體狀態(tài)。

第二類超齊構體屬于非平衡系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的微粒之間相互碰撞，但彼此之間不存在相互斥力，必須要有外力施加于這些系統(tǒng)才能使系統(tǒng)維持超齊構體的狀態(tài)。玻璃彈珠、乳濁液、膠質及冷原子系綜都屬于上述類型。

至于鳥類眼睛中，被科學家們稱為“多視錐超齊構體”的五色分布模式，至少迄今為止，是大自然獨一無二的存在。科爾博教授仍然不能明確指出這種圖案是如何形成的。它是像第一類平衡系統(tǒng)那樣，是由于不同視錐細胞的分子互斥而出現(xiàn)的，還是像一盒被搖出來的玻璃彈珠？科爾博認為事情的真相可能更偏向前者，細胞可以在不影響其它異種細胞的情況下分泌一種排斥同種細胞的小分子，很有可能在胚胎發(fā)育階段，每種視錐細胞的分化信號在促使特定細胞分化的同時，也會抑制周圍細胞發(fā)生一樣的變化?！暗@只是一個有待完善的簡單模型，”他說，“每個細胞的局部活動都會事關整體?！?/p>

除了雞之外（雞是實驗室最容易獲得的禽類動物），科爾博在其它三種鳥類身上也發(fā)現(xiàn)了同樣的“多視錐超齊構體”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表明，“超齊構體”方向的適應性進化是普遍存在的，并不僅僅只是某種特定環(huán)境下的產(chǎn)物。