美国华盛顿大学物理专业，物理学家冈拉克的奇幻漂流：从引力、暗物质到DNA纳米孔

21世纪确实是生命科学的世纪，倒并不是因为新冠疫情，而是多学科水到渠成的结果。随着数学、物理、人工智能发展与壮大，跨界研究正为生命科学源源不断地注入新的动力，并提供了新的工具、视角。

上海临港滴水湖畔举行的第四届世界顶尖科学家论坛在10月31日便聚焦生命科学领域的交叉研究。2021年“基础物理学突破奖”得主美国华盛顿大学教授詹斯·冈拉克（Jens ）分享了一个研究引力、暗物质的物理学家是如何跨界到生物的故事。

“基础物理学突破奖”授予冈拉克，是为了表彰他“通过精确的基础测量验证了我们对引力的理解，探索暗能量的本质，并确定了暗物质耦合的极限”。

但是冈拉克他的兴趣不局限于此。其个人网站上写道：“我是华盛顿大学的一名实验物理学家。我主要对两个领域的研究兴趣在职研究生，它们非常接近物理学研究范围的两端：基础物理学和生物物理学。”

为什么是基础物理学，为什么是重力？

“外行人可能没有意识到，我们正处于一个科学启蒙时代，在科学的面前我们无比谦卑。”

冈拉克曾表示：“让我从一些‘历史’的角度来看待这个问题。四五百年前，哥白尼和伽利略让我们认识到，我们所在的地球不是太阳系的中心。哈勃大约在100年前的发现告诉我们，我们所在的太阳系并不在宇宙的中心。在20世纪下半叶博士后，我们意识到，很明显作为物质的我们和能量，根本不是银河系中最普遍的物质构成，事实上除了重力，我们似乎甚至无法与大多数暗物质相互作用。”

冈拉克说，“然后，在过去的二十年里，我们发现宇宙中的大部分能量甚至没有引力，而是具有明显反引力，而‘我们’当然又与这些‘东西’无关。随着范式转变发现的这种进展，我们可能想知道接下来会发生什么。我们可能并不生活在宇宙中最普遍的维度？或者我们的宇宙并不唯一？重力与所有这些惊人的发现密切相关，对重力的精确理解很可能会为这些令人费解的发现提供一些线索。”

他还提到，另一个巨大的谜团是，可见物质的所有属性和大部分相互作用都可以简化为一个非常漂亮的理论，即粒子物理学的标准模型，但这种量子模型不能扩展到引力。相反，同样优雅的引力理论、广义相对论又无法解释量子世界。“要发现这些事物彼此间联系，连爱因斯坦的尝试都显得非常徒劳。”

又为什么要跨界，研究生物物理学？

冈拉克在其个人网站上道出其中原委：“我羡慕我的妻子：她是医生，她的工作直接改变了人们的生活。我想我能在这个意义上有所成就的唯一方法，就是参与生物物理学的研究。”

随后，他参与了“DNA纳米孔测序”。“学习全新的东西是令人兴奋的，我从我妻子的生物化学教科书开始。幸运的是，在朋友的帮助下，我设法与比我对生物物理学了解得更多的人一起竞争。”进入这个新领域后，冈拉克的第一个发现是，成为一名科学家所需的技能中，有大约90%在不同领域是共通的。

在第四届世界顶尖科学家论坛上，冈拉克吐露了他是如何跨界进入DNA纳米孔测序、另辟蹊径的。

冈拉克笑着说，生物物理学，一开始你可能认为这两个领域没有任何的联系。其实验室聚焦DNA纳米孔测序，他对此进行了一个非常简化的抽象解释，“这就像是有一个桶在中间是有一个孔，它里面灌满了盐水，中间的这个孔可以让DNA进入，这个孔带有负电荷的博士，DNA要通过这里，因为已经加了一个电压在里面了，DNA可以流入到这个孔里。”

和所有的物理学系教授分道扬镳

DNA如何通过这个孔，当时并没有一个共识，它只是一个概念。冈拉克说，在这个问题上，“我和所有的物理学系教授就分道扬镳了。”

“我当然是一个物理学家，但是每一个物理学家都和我说你必须用氧化硅或者是其他的一些材料，需要用纳米的设施，在大学实验室才能做这一件事。但是我觉得自然界已经有了一切所需要的元素了，我们为什么不使用自然界就存在的生物呢？”

冈拉克谈到美国华盛顿大学物理专业，物理学家冈拉克的奇幻漂流：从引力、暗物质到DNA纳米孔，比如说我们可以使用一个双层的结构，叫MspA，“它来自一个非常小的细菌，是分枝杆菌属的，它有合适的几何学特征，这些都是很重要的。”

分枝杆菌细长略弯曲，有时有分枝或出现丝状体。冈拉克说，DNA原则上是能够通过分枝杆菌二层结构里的这个孔的，所以我们就试了一下，很快就发现了这些孔确实是非常具有韧性的，把它放到任何pH值环境中，都还可以继续工作。

我差一点就放弃了

虽然一切都很好，但是，“只有一个小问题，我发现DNA进不去。”冈拉克笑着说。

“我差一点就放弃了，因为没能取得进展。然后我就对我生物学领域的同事说了其中的挫折，他们说你们可以针对蛋白进行工程改造，”冈拉克说，“我对于生物工程当时没有什么认识，它因为也是负电荷的，所以它就没有办法进去，那时候我根本就不知道对于蛋白质也可以进行工程，而且很简单就可以做到了。”

冈拉克接下来请教了大学里熟悉生物工程的同事，在他们的帮助下，冈拉克把电荷变成了中性的，然后还有一些其他的电荷在里面，就让DNA能够通过了。

“我们对于这个结果非常高兴！”冈拉克说，于是就有了纳米孔测序的一个非常具有奠基意义的论文。“后来我们开始利用另外一种电流，也就是离子电流，对于细胞核非常的敏感，我们就开始用DNA流到这个孔，它其实非常的短，只有100微秒这么长，但足以分辨核苷酸。接下来就是用酶，它是一个分子发动机，我们现在了解了很多关于酶的事。”

冈拉克先让酶先放到DNA上，然后用电场把DNA吸入到孔里，这基于非常原始的分子动力学原理。做到这里以后，冈拉克就发现酶可以让DNA非常慢地进入，结果也很好。

冈拉克进一步想“看清”踪迹，就用了20个不同的DNA的分子，每一个DNA的分子，都让离子流进入进去，进入到了图的下方，用不同的颜色。由于离子流它是不断的重复出现，“其实是用DNA相同的分子测序的，我们看到了以后就非常的振奋，因为我们发现它的相关性非常的好。”

冈拉克看到DNA的序列完美地进行了匹配，“把整个事情就可以搞清楚了，你可以利用离子流来进行DNA的测序，这个现在已经运用在商业上作为一个测序的机器。”

跨学科的研究的确是可行的，而且让人乐在其中

目前，应用这一技术的商业应用在产业界已经拓展开了。冈拉克激动地说道，“现在我的研究已经完全的转给产业界了，让他们非常快的商业化了，纳米孔也是一个非常棒的单分子的工具，又可以用于生物物理学，我现在在实验室里面也经常使用。”

他提到，对生物学家来说，很重要的是要理解酶的作用，“现在我们已经知道了DNA的运动，接着给DNA施加一个力，就可以看到DNA是如何被酶所作用的。为什么对酶的研究特别重要呢？在当前的新冠疫情背景下，我们知道新冠病毒有自己的聚合酶和解旋酶，如果我们可以对聚合酶进行深入的理解的话，就可以开发出相关的抑制剂，让病毒无法进行有效的复制。”

冈拉克表示，在精度上要大幅提升，要达到半个核苷酸的宽度和精度，首先得从每一个位置分别的来去进行影射，步径非常非常小，达到了300皮米。“DNA的移动是以半个核苷酸的步径来移动的，也就是说解旋的过程是以半个宽度来去进行，这个精度可以让科学家更细致入微的做探索。更为重要的是时间维度的分辨率极高，最终可以带来非常精准的结果。”

冈拉克又展示了解旋酶的动力学，“从动力学的角度来说，解旋酶的步径应该是1/4核苷酸的长度，而不仅仅是1/2核苷酸的长度，在做测序的时候，也可以达到前所未有的精度。”

“我自己学到了跨学科的研究的确是可行的美国华盛顿大学物理专业，而且让人乐在其中”，冈拉克最后总结道，“从一个学科的洞见、包括工具，可以带到另外一个学科，我觉得是可以得到奇效的。从物理学跨界做生物，真的是带来了很多灵感的启发。另外我也想强调一下，我对于跨界学科本身，因为我不是专业的，因为有了这种不是先入为主的成见，所以可以带来一些灵感和看法。”

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美国华盛顿大学在哪个城市，择校必看丨美国各大学地理位置分布及各地区优势汇总！关乎你的生活和学习！

美国名校众多，在美国留学选校时，学生通常需要考虑很多因素，比如：排名、费用以及环境如何等等，不过还有一个因素是很多同学都会考虑的，那就是学校的地理位置~

这里所说的地理位置，不是农村 or 郊区 or 城镇，而是选择的地区区域。

所以，在确定选校之前，我们要先搞清楚选校的地理区域。一般情况下，我们会把美国划分为4个地理区域，具体区别如下：

01

西部地区

美国西部地区涵盖了美国西部内陆地区以及西海岸两大地区，总共包含13个州，其中只有濒临太平洋的华盛顿州、俄勒冈州、加利福尼亚州3个州才被称为美国西岸。

西部内陆地区代表城市：丹佛，菲尼克斯(凤凰城)，盐湖城，图森，拉斯维加斯。

西海岸地区代表城市：西雅图美国华盛顿大学在哪个城市，择校必看丨美国各大学地理位置分布及各地区优势汇总！关乎你的生活和学习！，波特兰，旧金山，洛杉矶，圣地亚哥，圣何塞。

地区特点

美国西部各州的气候都是较为温和宜人的，而且降雪少。其中加州地区气候比较干燥，多地震和森林火灾;华盛顿州气候湿润、多雨，植被覆盖率高。

自19世纪淘金热开始，美国西部地区便成为了人们“重新开始的地方”。这种冒险家的精神上海mba，也滋养了媒体与技术产业的发展，这也是西部现代自由的重要象征。

同时，西部还是一个非常富裕的地区，有旧金山、硅谷、洛杉矶、西雅图等知名商业和技术中心。尤其是IT公司，丰富的实习和就业机会使其成为许多计算机专业留学生的热门选择。

这个地区的人在社交与职业方面的着装也要随意得多，而且语速也较慢。户外活动十分丰富在职研究生，强调健康的生活方式和饮食，并关注现代化、创新和技术。

西部还有一个特点就是社会和政治自由，政治正确、平等、人权在这里尤为重要，并具有民主和良好的教育。

教育水平

西部地区加州大学的10所分校，被认为是全美最强的公立大学系统。而斯坦福大学、加州理工等名校也均来自加州。除此之外，还有加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉、旧金山大学、亚利桑那州立大学、夏威夷大学、犹他大学等。

许多毕业生在毕业后都会选择待在加州，因为这里的薪资水平很高。

02

中西部地区

中西部包含俄亥俄州、密歇根州、印第安纳州、威斯康辛州、伊利诺伊州、明尼苏达州、爱荷华州、北达科他州、南达科他州、堪萨斯州、内布拉斯加州、密苏里州、奥克拉荷马州。

包含的主要城市有克利夫兰、底特律、芝加哥、明尼阿波利斯、圣路易斯。

地区特色

美国中西部地区一般在社会政治上比较保守，这里的居民个性开放、友善且坦率，他们都过着简单舒适的生活，想融入进这样的圈子也比较容易。

不足的是，这里的交通不是很便利，没有车基本上很难出行。但正因为这里娱乐项目不多，生活也不太便利，没有太多让人分心的事情，所以是个适合安心学习的地方。

地区气候美国中部的大平原，地势平坦开阔，南北无屏障，来自两边的气流都可长驱直入，因此这里冬季寒冷，春夏气温高，湿度大。

教育水平

美国中西部也有很多著名高校，但比较分散，没有东北部那么集中美国华盛顿大学在哪个城市，相对而言比较热门的是五大湖地区。

当地知名高校包括华盛顿大学圣路易斯分校、俄亥俄州立大学、印第安纳大学、威斯康辛大学麦迪逊分校、伊利诺伊大学香槟分校、明尼苏达大学双城分校、密歇根州立大学等。

学习机械类专业、商科会计、金融、经济、管理等专业的学生在这里找工作会有很多机会。

03

南部地区

南部地区包括佛吉尼亚州、西佛吉尼亚州、肯塔基州、田纳西州、北卡罗来纳州、南北卡罗来纳州、佐治亚州、佛罗里达州、阿拉巴马州、密西西比州、阿肯色州、路易斯安那州、德克萨斯州。

包含的主要城市有亚特兰大、新奥尔良、夏洛特、迈阿密、纳什维尔、休斯顿。

地区特色

东南部以及墨西哥湾沿岸都是属于亚热带气候，比较炎热，但到了冬天，这些地区都会变得很温暖，成为冬日度假胜地。

中南部地区均处于高温区，因此夏天会比较炎热，但阴天以及夜间温度会降低且较为舒适。

因为其经济活动的繁荣以及人口的聚集，墨西哥湾沿岸地区有时候也被称为美国的第三岸(其余两岸是东岸和西岸)。近些年，德州、佛州的华人越来越多了，航天工程、生物技术等高科技专业的首选。

教育水平

这个地区带有相当特殊的文化和历史背景，是非洲裔人口的主要聚集地，南部的生活成本是全美最低的，但南部公立学校都相当富裕。比如，德州农工曾获得的捐赠规模达到105亿美元，仅次于麻省理工学院和普林斯顿大学。

佐治亚理工、佛罗里达大学、佛罗里达州立大学、德州大学奥斯丁分校、莱斯大学、德州农工大学、迈阿密大学、杜克大学、埃默里大学、弗吉尼亚大学、威廉玛丽学院等也均在此处。

近些年，德州、佛州的华人越来越多，选择航天工程、生物技术等高科技专业的留学生可以考虑首选低生活成本、高幸福指数和收入的南部地区。

04

东北部地区

该地区代表城市：纽约，波士顿，费城，华盛顿哥伦比亚特区。

地区特点

由于受到拉布拉多寒流和来自北方冷空气的影响，该地区冬季寒冷的时间比较长，越往北冬季时间也越长。1月份均温就低到了零下16℃左右博士后，到了5月份。天气仍会十分凉爽。

在很多方面，美国东北部的实力都是名列前茅的。

在政治与经济上，美国东北部是美国工商业最发达的地区，都市化程度高，其商业中心包括了纽约、费城、华盛顿特区等。

因此，生活在东北部地区的居民，基本上在社会和政治上是温和的自由派，受过良好的教育，家庭条件也较为富裕。同时，这里生活和商业运作的节奏快，服装风格也正式得多，建筑和传统更为古老，也更注重文化活动。

随着微电子、金融服务、旅游、医药、生物技术等多个行业的发展，几乎每个专业的学生都能在这找到自己的一片天地。

教育水平

该地区教育资源发达，名校云集，学生最多，许多著名的常青藤盟校都聚集在这里，拥有着全美乃至全世界最好的教育环境。

包括普林斯顿大学、哥伦比亚大学、宾夕法尼亚大学、康奈尔大学、纽约大学、西点军校、罗切斯特大学、伦斯勒理工学院、雪城大学、卡耐基梅龙大学、宾州州立大学、匹兹堡大学、马里兰大学、佩斯大学等。

总的来说，美国每个州和城市都有自己的特色，也对应有不同的顶尖院校。同时，在各个品牌总部所在地，就业岗位自然会相对多些，机会也更加多。大家在确定选校名单时，一定要综合考虑清楚。

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