當物理學遇上生物學：牛津大學Yeomans教授揭示力學如何改變生物組織形態

英國牛津大學Julia M. YEOMANS 教授於 2025 年 12 月 18 日應邀主講理大高等研究院傑出學人講座，講題為「活性物質與機械生物學的交會：抵抗衰變至平衡狀態」。活動吸引了逾70位現場參加者，並有超過15,500名線上觀眾透過多個社交媒體平台同步收看。

Yeomans教授在講座伊始介紹何謂「活性物質系統」——一種由單一粒子能量驅動、處於熱力學非平衡狀態的系統。這一理論框架對於理解生物現象（如生物力學和自組裝）具有關鍵意義，亦有助於新型微型引擎和內部驅動的微通道流的設計，從而揭示非平衡統計物理的更廣泛原理。

在此基礎上，Yeomans教授深入探討了活性物質的物理學及其對力學生物學和發育生物學的影響。她指出，活性物質為了解生物系統的組織和行為提供了全新的視角，並以細菌群落形成的規律及高密度活性向列體（如微管馬達蛋白）的動力學為例加以闡述。在這些系統中，遠場流動規律呈現向列對稱性——即液晶分子沿著大致相同的方向排列。向列序的大小或方向梯度——即由於分子在表面上的排列偏差而形成的異向區域——尤其容易發生展曲畸變，導致組織彎曲或變形。值得注意的是，這些系統中的活性湍流可通過空間限制而被抑制，而在可變形的向列液晶系統中，力軸不一定與形狀軸對齊，進一步增加了其行為的複雜性。

Yeomans教授亦探討了這些原理在醫學科學中的相關性，特別是侵入性乳腺癌病灶的分布。她透過比較細胞組織切片與電腦模擬結果，提出證據顯示惡性乳腺癌擴散的關鍵是在於細胞群的運動行為，而非單位的細胞增生。此觀點對理解腫瘤的演進過程具有重要意義，並可能為未來治療策略提供啟示。

此外，她還探討了上皮細胞的動態行為，並指出這些細胞可被建模為可變形的活性液晶。對於此類系統，開發能夠將細胞形狀與機械應力解耦的理論方法至關重要，從而更準確地描述組織的行為和發育。

在總結中，Yeomans教授強調了物理學、生物學與工程學的交叉學科研究至關重要，並指出活性物質研究的進展正不斷重塑我們對生命系統及其複雜行為的理解。

隨後的問答環節由體育科技研究院及未來服裝紡織科技研究中心成員、潘樂淘慈善基金智慧及可持續發展能源教授、機械工程學系熱流體與能源工程講座教授王立秋教授主持。現場及線上觀眾與Yeomans教授展開了富有成效的交流與討論。