星球大战教会了科学家关于精子的知识

当查尔斯·雷利 (Charles Reilly) 和唐纳德·英格博 (Donald Ingber) 着手制作他们的短片《起初》时，他们只有一个目标。这部向《星球大战》致敬的电影（剧透）讲述了一个精子在生死攸关的竞赛中战胜卵子的故事。

英格伯是哈佛大学威斯生物启发工程研究所的创始主任，而赖利也是威斯研究所的生物化学研究员，他们希望这部动画电影在科学上准确无误。为了实现这一目标，两人采用了银幕上比实验室更常见的技术。他们寻找的是视频游戏设计师和电影动画师通常使用的数字成像软件。

他们不仅在电影界取得了辉煌的成就，而且通过突破科学界限，他们偶然发现了一项新发现：了解精子通过来回摆动尾巴来满足其速度需求的分子水平机制。该研究结果今天发表在《ACS Nano》杂志上

在用艺术来诠释科学方面，英格伯和赖利并非新手。英格伯读研究生时，偶然接触了巴克敏斯特·富勒建筑界的一件雕塑，这让他萌生了张拉整体结构理论，张拉整体结构让巴克敏斯特·富勒开创性的测地线穹顶既轻盈又坚固，不仅适用于建筑结构或物体，也适用于分子结构。

“大多数人造建筑都依赖于重力，就像一块砖头压在另一块砖头上一样，”英格伯说道。“想想巨石阵：石头因为重力而保持稳定的形状——一块石头挤压另一块。但如果你从侧面撞击它，它就会像多米诺骨牌一样倒塌。”

相比之下，张拉整体结构依赖于持续的张力而不是持续的压缩。人体就是这样构造的。我们的骨骼具有抗压性，由一系列肌肉、肌腱和韧带拉起。这使我们能够走动，而不会在被从侧面撞到时摔倒。与巴克·富勒 (Bucky Fuller) 的工作的接触让因格伯发现细胞具有类似功能的细胞骨架 (实际上是细胞骨架)。细胞具有压缩微管（大致相当于我们的骨骼），其中的拉伸乳霉素细丝的作用有点像我们的肌腱。这些细丝中的张力决定了细胞的形状和硬度。

那段成长经历很可能让因格贝尔在雷利第一次向他求助时做好了接受的准备。雷利是一名分子生物物理学家，但在获得博士学位之前，他曾在导演彼得·杰克逊的后期制作电影工作室 Park Road Post 工作。该工作室负责《指环王》 、 《金刚》和《彼得的龙》等影片的特效工作。当雷利离开电影界投身科学研究时，他继续在业余时间磨练自己的数字动画技能。雷利之所以向公众求助，是因为他觉得动画可以更好地帮助公众理解科学。

两位研究人员都认为，大多数关于细胞和分子世界的描述都缺乏可信度。我们描述细胞世界和更大的生物世界的方式往往是脱节的——例如，很难想象构成人体肝脏的细胞与肝脏本身之间的联系。更难的是概念化肝脏如何与人体相连，以及人体如何与更广泛的生态系统相连。他们希望通过使用好莱坞大片中常用的软件来改进这些描述，不仅可以帮助公众更好地理解这些科学联系，而且实际上也可以推动科学的发展。 《起初》只是一个概念证明，但它远远超出了预期。

锻炼身体

如果数字动画和特效软件能够促进科学研究看起来很奇怪，那么您可能没有意识到标准的皮克斯电影中融入了多少物理学元素。

人类的视觉远非完美无缺。但是，尽管我们经常被 Photoshop 欺骗——我们的大脑填充视觉信息的方式也会导致各种各样的思维旅行——但当我们观察屏幕上物体的移动方式时，我们总能察觉到运动是否偏离了方向。如果运动不太正确，或者表面反射的光线看起来不够逼真，我们就会进入日本机器人专家 Masahiro Mori 所说的“恐怖谷”状态。看起来几乎真实但又不完全真实的事物通常会让我们感到害怕，我们往往会转过头去——这与你希望人们在观看你的电影时所做的事情完全相反。

因此，“我们的目标一直是视觉真实感，”视觉效果软件公司 SideFx 的技术运营副总裁 Luke Moore 说道。“我们发现，要让效果看起来正确，我们必须创造非常准确的物理效果。我们创建了非常准确的科学物理模拟。”

SideFx 制作了一款名为 Houdini 的视觉效果和 3D 动画工具，Ingber 和 Reilly 就是用这款工具制作《起初》的。Houdini为《海洋奇缘》中的海洋、 《权力的游戏》中的爆炸、火焰和迷雾、 《银河护卫队 2》中的 Ego 宫殿以及一系列游戏做出了贡献，因为他们与 Electronic Arts (EA) 等公司密切合作。

Reilly 将 Houdini 比作一种可视化编程语言。用户可以像使用任何传统的可视化编辑软件一样使用直觉，但不是使用画笔，而是使用数学运算和规则进行艺术探索。Houdini 采用了科学建模软件所采用的相同物理原理。但由于科学模型高度注重准确性，因此速度可能非常慢。Houdini 对速度的要求略高一些；它使模拟足够准确，可以避免恐怖谷效应，但允许相当快地进行原型设计。

“它允许你留下一些足够好的东西，但你知道自己在哪里超出了界限，”Reilly 说。“然后，如果你愿意，你可以随时回去重新审视，但结果可能证明你不需要重新审视。而且你没有浪费两周的时间来建模。”

这种流动性对于生物系统建模尤其重要，因为实验数据不够精确，传统的工程软件并不总是适合它。Houdini 允许研究人员将不同类型的权重应用于不同的数据集，这样他们就可以直观地混合搭配和探索。

英格贝尔和赖利没有让 X 翼星际战斗机向死星开火，而是选择精子瞄准另一种热排气口——竞相与卵子受精。他们的影片的关键是准确描绘精子的尾巴，即所谓的轴丝，它是由九对微管组成的管子，微管排列成一列，围绕着一对较长的中央微管。正确地制作动画意味着要保持精确的生物模型，直至原子水平。

英格伯说，分子动力学使用两种方法中的一种来预测分子形状或功能的变化。科学家可以让分子变得坚硬——基本上是将其冻结在原地——即使分子一直在振动，并且具有灵活性和不同的形状。这可以为您提供非常高的分辨率，就像一个人的快照，但您无法分辨这个人是在跳舞还是在跌倒。或者他们使用刚刚获得诺贝尔奖的低温电子显微镜技术。它可以显示分子的所有摇晃、摆动和起伏，但分辨率相对较低。

通常，没有简单的方法可以解决这些不同类型的信息；这就像在 Android 设备上读取 iOS 表情符号一样。但动画软件技术允许 Ingber 和 Reilly 同时以不同的比例构建模型，修改直到各个部分拼凑在一起，然后再检查数据以确保其合适。这有点像只用图片的一块拼凑拼图：它可能需要比平时更多的反复试验，但超过某个点后，根据您拥有的数据，拼图只有一种方法可以拼凑在一起。在尺度之间移动的能力使研究人员能够对分子马达（称为动力蛋白）如何驱动精子尾部运动有了新的认识。

动力蛋白附着在微管上。当一种叫做三磷酸腺苷 (ATP) 的分子在蛋白质上的特定结合位点转化为二磷酸腺苷 (ADP) 时，动力蛋白会改变形态，当化学键断裂时，会释放能量。当发生这种情况时，动力蛋白改变形状的方式会导致它抓住微管或对其施加力量，从而导致精子尾部弯曲和移动。如果动力蛋白是引擎，那么 ATP 就是汽油。当新的 ATP 结合到该位点时，动力蛋白会切换回来，从而导致精子以扭动运动而闻名。研究人员能够想象成排的动力蛋白如何协同工作，就像划船者在船上一起划船一样。

如果没有针对电影的建模，这种洞察力就不可能实现。

超越孤岛

SideFX 并未直接参与利用其软件的研究，但 Moore 听到这项研究后非常激动。“我很高兴听到这种现象开始出现，越来越多的人从不同的角度进行交流，而以前他们很少交流，”他说。“这让我非常震惊。这里面有巨大的潜力。”

而且他并不是唯一一个这么想的人。

赖利认为，他们最大的成就不在于解决精子活力之谜，而在于他们如何解决这个问题——借用不同学科的资产和工具。他认为，在研究药物开发和疾病建模方面，科学和娱乐领域有无限的重叠机会。

“想象一下有一部科幻电影，我们想在电影中看到某种病毒的图像，”雷利说。电影制作人可以与研究人员合作来模拟病毒。电影最终会以极其准确的病毒形象呈现，而科学家也可以在此过程中真正了解病毒。

“这里面有很多工作要做，艺术科学家之间要开很多会议。艺术家们经常试图了解科学界正在发生的事情，以便向公众传达这些内容，”英格伯说道。“通常科学家会看不起这些，因为这并不能真正帮助他们推动科学发展。但在这个例子中，艺术的进步（在这个例子中是娱乐）实际上可以推动科学进程——我认为这就是我们如此兴奋的原因。”

因此，当您下次观看充满数字动画效果的夏季大片时，请问问自己，如果这部电影能够帮助科学家们找到抵抗致命疾病的方法，那该有多酷。