纳米与生命

 21世纪以来，科学的逐步融合，特别是物理学、纳米技术、生物和医学等学科的交叉融合，横跨不同的大陆，也跨越了不同的科学与文化。这种科学的融合正带来一场变革，不只是在技术领域，也涉及我们与物质世界在生理、文化和哲学层面的联系。
这本书为我们展示了物理学、生物学和纳米科学技术交叉融合的科学领域——以生命为核心的新科学。作者具备多个学科的研究背景，她将对生命的研究置于广阔的语境中，思索并探讨着快速变化的现在，也带我们想象让新技术美梦成真的光明未来。
作为普及性读物，这本书在科学性、思辨性与可读性之间达成了微妙的平衡，它言简意赅，为前沿科学进展配上令人惊叹的彩图。这本书能够为我们推开通向纳米尺度之窗，展现跨领域材料的力量，带来新视角的深入思考。

这是一本关于纳米技术及其应用的科普读物，涉及生物物理学、医学及工程科学等领域。
纳米技术是生物学与医学领域的明星，也让物理学家为之着迷，是多学科交叉融合的典型科学领域之一。一直以来，像生命的起源、生命的多样性等吸引各个领域科学家的问题，远未得到明确的解答；然而，逐渐加快的学科融合已经成为必然趋势，让我们意识到自己正处于一个拐点上：科技即将改变我们对于生命的认识，而这会带给人类更强大的治愈疾病的力量。
这本书言简意赅地讲述了生物学、医学、物理学等学科融合的历程，介绍了由此产生的新科学。作者将对生命的研究置于广阔的语境中，旨在对支配整个宇宙运行的规则有全新的理解，也展望了这种学科融合对人类的健康和生活质量的提升有怎样的深远影响。

索尼娅·孔特拉（Sonia Contera）
牛津大学物理系生物物理学教授、牛津马丁学院医用纳米科学研究中心联席主任。她的研究方向是物理学、生物学和纳米科学技术的交叉领域，具备多个学科的研究背景。

前言及致谢 V
绪论  科学融合于生物学，重塑健康 001
生物学与医学中的纳米技术 003
定量生物学的诞生：生命的全新物理学 005
生物学和医学的转变 010
创新材料的未来 014
第1 章  终，我们拥抱生物学的复杂性 019
分层的宇宙，分层的生命 023
近距离对焦生物的复杂性：还原生物 025
拉远镜头：解释由复杂性形成的生物学行为 030
利用纳米技术工具研究生物 041
观察进行纳米尺度行走的蛋白质 045
调查多尺度的细胞行为 048
细胞如何对机械作用力与环境做出反应？ 051
将机械信号翻译成生物语言 052
用机械信号与电学信号连接不同尺度 058
生物电对器官活动的程序控制 060
分层的生物、分层的大脑以及分层的思维 061
接纳生物的复杂性 065
第2 章  边制作，边学习：DNA和蛋白质纳米技术 069
DNA纳米技术的诞生 073
利用DNA创造纳米结构 077
DNA折纸术 080
DNA纳米机器人 081
DNA纳米技术的挑战 083
蛋白质纳米技术 086
通过生物演化优化自身的纳米结构 096
利用纳米技术制造仿生材料和仿生设备 097
未来设备：量子物理、生物学与纳米技术的相遇 099
第3 章  医学中的纳米 103
药物发现简史与纳米医学的到来 105
抗生素耐药性与纳米技术 112
利用定制化蛋白质进行药物合理化设计 118
用于可编程化学合成的DNA纳米机器人 121
用于靶向输送药物的纳米技术 122
增强癌症免疫疗法的纳米技术 128
用于基因编辑与基因递送的纳米颗粒 133
药物与分子从聚合材料中可控释放 135
将应用生物响应材料的皮肤贴剂中的药物可控释放 137
用于改进免疫疗法的植入体 138
迈向超增强的免疫系统 140
第4 章  组织与器官再生 143
从细胞的发现到干细胞的发现 147
早期的组织工程 151
操控干细胞的命运 154
用于组织工程的纳米结构材料 156
器官工程 157
三维生物打印 162
芯片上的器官 164
将生物学、物理学与数学用于工程和再生组织 166
个生物杂化的跨领域材料机器人 168
第5 章  总之，生命改变一切 171
结语  生物变成物理：我们成为技术物种的时代正在来临？ 183
科学家为新的技术文化而努力 184
科技与平等 189
创造积极技术未来的愿景 193
在过去的光辉中前行 196
译后记 人类的又一次三岔路口 199
注释 203

绪论  科学融合于生物学，重塑健康（节选）
生物学是现代科学中被研究得zui为深刻的学科。健康、死亡、我们在宇宙中的位置与身份……除了这些人类永恒关注的生命话题之外，隐藏在生物学复杂性背后的力量，正在让几乎所有科学技术的分支都被吸引到对生命的研究中去。生物学不再是生物学家、生化学家以及药物学家的自留地；在21世纪，物理学、数学以及工程科学都在与更为传统的生物学科融合，在其多面而动态的结构与功能中，寻找对生命更深层的理解。在我们这个激荡不已又失去方向的年代，生物学内在的运转模式，以及它对生命意义的独到见解，已经成为人类创造力的焦点，孕育着技术与文化上的创新。这也许会让我们更好地生存，又或者会加速我们的灭亡。
科学对生物学的诉求，是要在所有生物学的空间尺度上获得满足——从纳米尺寸的分子，到微米大小的细胞，再到以米作为单位的真核生物1；对于所有的表现形式也是如此，从生物中各种分子令人难以置信的形态与功能的多样性，到驱动复杂蛋白质、脂膜或DNA（脱氧核糖核酸）螺旋精密组装的作用力与过程。科学寻求有关单个分子、细胞、组织、器官以及生态系统的知识，这包括了对生物学结构如何催生个体以及集体“智慧”2的研究，而这一智慧又让活着的生命得以在地球上继续生存。
除了对知识纯粹的探索，经济收益和社会影响力也是科学界的日常驱动力（甚至更多的是因为科研基金）；因此，人们会注意到，目前科学界希望所有事情都和生物学挂钩的动力，通常是技术方面的。从生物学获取的潜在技术回报十分丰富，一如新的学科从生物学中汲取知识产生的演变。比如，计算机科学家热衷于学习人类大脑组织的精确细节，以便他们在算法结构中反映出神经元之间的层状连接。他们希望这可以带来AI（人工智能）的大幅提升，同时有助于更好地理解人类自身的思考能力。材料科学家和机器人科学家观察生物结构的组装，以激发设计新型仿生材料和机器人的灵感。在物理领域，科学家研究负责光合作用的植物蛋白质，寻找可应用于未来的量子计算机的生物配方。
无论这些参与生物学研究的新加入者多么活跃和专注，医学始终占据着生物研究的中心位置，是主要的智力、社会及经济引擎。医学研究有助于吸引基金的注入，而且更为重要的是，它扮演着知识整合者的角色。被吸引到生物领域的科学技术，出于不同的目的，以不同的路径抵达此处，但是医学可以消除学科间的文化障碍，加速它们的融合，从而寻找更好的策略以发现本质的发病原因，并采取更好的干预措施以保持或恢复健康。
认识疾病并进行治疗，这是一个无比复杂的挑战，需要“携手共进”——把所有可用的技术和科学知识都集合起来。尖端医疗研究已经融入了AI、材料技术、机器人技术的zui新发展成果，而且毫无疑问会在量子计算机成熟之后就得到应用。去过现代医院的每个人都可以见证，大多数人类技术都以这样或那样的形式被改造，以便适应医院的使用条件：从毫不起眼的温度计，到用来给肿瘤成像的PET（正电子发射断层成像）扫描仪背后的正电子物理学；从用来控制生育的手机应用软件，到用于根除疾病的基因编辑技术。医院就是zui富营养的文化载体，为科学技术知识的融合与生长提供了土壤。
当前研究的广度、强度以及发展速度，充分说明我们还生活在生物学与医学发生大变革以前的时代。那些长期困扰人类的问题，比如生命的起源与多样性，还有我们智力与意识的来源，可能远远得不到明确的答案。然而，以前所未有的强度加速进行的跨学科融合，让我们感觉自己正处在一个转折点，即将不可逆转地奉迎新技术的降临。这些技术将会改变我们对生物学的理解与控制，它们将以非常新颖又有效的方式，赐予我们力量治疗自身，从而延长或改造我们的生命。