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分子也會玩追逐遊戲?新模型揭曉混沌舞步與分離現象

在我們的想像裡,分子似乎只是冷冰冰的小顆粒,按著化學定律安分地互動。但事實上,它們的行為比我們想像的更熱鬧,甚至能上演「你追我跑」的戲碼。當一種分子 A 喜歡接近分子 B,但 B 卻對 A 退避三舍時,整個系統就會展現出一種自發的「追逐」動態;如果雙方互相吸引或互相排斥,那麼結果通常就是相對靜止的「分家」——形成類似油滴在水中分離的狀態。

這些互動模式,過去被科學家用來理解「生命物質」如何自組織。然而,馬克斯普朗克動態與自組織研究所(MPI-DS)的物理學家蘇若普里亞·薩哈(Suropriya Saha)和戈列斯塔尼安(Ramin Golestanian)提出了全新觀點:如果把「非線性」這個現實中普遍存在的因素加入模型,分子的行為會更複雜、更難以預測。

所謂「非線性」,簡單理解就是關係不再固定比例,而是會隨著環境或條件出現突變。例如,在新模型中,分子 A 原本是追逐者,B 是逃跑者,但系統可能在某個時刻突然翻轉,A 變成被追的一方,而 B 開始主動追逐。這種角色互換讓分子間的關係不再單調,而是隨時可能翻盤。

圖(a)顯示:一開始分子像氣泡一樣此起彼落,隨著時間演進,最後出現大塊區域分開,但界面還會「脈動」,甚至冒出新的小水滴。
圖(b)則是在另一種濃度下,分子先是規規矩矩地分離,卻在後期突然開始震盪,形成許多小水滴,並長時間維持下去,不再合併或消失,就像舞池裡大家各跳各的,卻維持著奇妙的秩序。
中間的折線圖(c)、(e)則是數學驗證,說明系統確實會經歷「冒泡 → 分開 → 震盪停滯」這幾個階段,取決於分子之間互動的強度。小圖(d)、(f)則讓你一眼看到不同「舞步」的典型樣子。圖/《自然通訊》
研究結果更令人驚訝:「追逐—逃跑」與「相分離」這兩種狀態不再是二選一,而是能在同一系統中同時存在,甚至互相切換。 這意味著分子集合體可能一邊在局部展開追逐遊戲,一邊又在另一處分化出穩定的分離結構。整體行為看似混亂無章,實際上卻蘊含著複雜的動態規律。

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戈列斯塔尼安指出,在真實的生物系統中,這種「非互惠且非線性」的互動其實更像常態,而不是例外。細胞內許多蛋白質的聚合、分散,甚至早期生命的自組織,很可能都依賴這種動態互動。這讓人聯想到生命誕生初期,分子世界或許就是在這樣的混沌遊戲中逐漸形成秩序,進而孕育出更高層次的生命結構。

換句話說,分子的互動並不是單純的「喜歡」或「討厭」,而是一場隨時可能逆轉的「混沌遊戲」。這種模型不僅幫助科學家更好地理解活體系統的複雜性,也為探索生命起源提供新的思路。畢竟,生命的美妙或許正來自這些看似混亂卻充滿創造力的分子舞步。

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