人类和世间万物都是由原子构成 ， 其中非常重要的一种原子是碳原子 。 大自然通过原子 ， 把生物从简单的分子变成复杂的碱基 ， 再到一条条两米长的基因 ， 最后塑造生物 ， 变成人 。 人类进化的过程 ， 是一个很庞大的“电子游戏” ， 而自然界通过长期的演化 ， 布置出一场庞大的局 。 什么是原子？分子也会有形状吗？人是如何形成的？原子的连接方式和“俄罗斯方块”又有什么关系？
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为清华大学博士孙亚飞演讲实录：
很多人都会问我这样一个问题：我是从哪里来的？人是由什么东西构成的？人类和世界万物之间有什么区别？
从化学的角度来讲 ， 人类和世界万物之间还真没有什么区别 。
我们是由原子一个个地堆积起来 ， 慢慢地构成的 。
但是我们得想 ， 为什么有些原子可以构成我手上的提词器 ， 有些原子就可以构成人？
这就是原子玩出的一个游戏 。
今天我就给大家讲一讲人是怎么产生的 。
“俄罗斯方块”与原子连接
我叫孙亚飞 ， 2003年保送到北京大学化学院 ， 在这之后又工作了一段时间 ， 2014年又重新回到清华化学系读博 。
我的经历可能会让很多人想：你读书又是去北大 ， 又是去清华 ， 是不是从来都不玩游戏啊？
适度游戏健脑 ， 沉迷游戏伤身 。
可能大家打开游戏的时候 ， 都会有这样的提示语 。
但是我相信 ， 很多同学在家都会玩游戏 ， 打开手机玩玩“王者荣耀”或者“吃鸡” 。
有些家长也会对此很反对 ， 是不是孩子一天花那么多时间玩游戏 ， 就会怎样怎样 。
但是如果单纯从这件事情来讲 ， 我认为我们不能一刀切 ， 玩点游戏还是可以的 ， 因为我12岁的时候 ， 也特别喜欢玩游戏 。
而且那个时候 ， 不像现在有手机 ， 点开之后就能玩很多种游戏 。
那会就只有红白机 ， 还有小的电子游戏机 ， 点开之后就是很简单的音乐 ， 能够玩一些非常简单的砖块游戏 ， 还有“俄罗斯方块”之类的 。
我就特别喜欢玩“俄罗斯方块” ， 所以35岁的时候 ， 我还在玩“俄罗斯方块” ， 只不过手上的机器换了 ， 我换成了“任天堂”的NS 。
打开之后 ， 我发现它也可以玩 ， 而且模式和现在流行的“吃鸡”很像 。
玩了两天 ， 我还拿到了冠军 。
你可以想象我很小的时候玩的水平是怎样的 。
至少不是特别差 ， 而且玩的时间肯定也不少 。
大家不要觉得玩游戏就肯定上不了好学校 ， 其实还是可以的 。
我今天说的原子游戏 ， 就是从“俄罗斯方块”这个游戏里提炼出来的 。
玩过“俄罗斯方块”的肯定都知道 ， 它有最基本的七种形状 ， 这几个形状非常有意思 ， 它必须满足几个要求 。
第一 ， 所有的拼块都是由四个正方形的方块构成的 。
第二 ， 每一个方块都必须要和另外一个方块用边结合 ， 七个方块都要满足这样的规律 。 如果两个方块是角对角的连接 ， 就是不行的 。
第三 ， 如果按照这个规律去做 ， 那么四个方块能拼出多少个？不管怎样拼 ， 都只有这七个 。
也就是说， “俄罗斯方块”是用了所有由四个方块拼成的、用边连接的一个形状 ， 然后通过这些形状的变形 ， 去做这个游戏 。
这是非常有意思的地方 ， 它用了很简单的逻辑和形状 ， 就能够把游戏内容做得很丰富 。
当然 ， 它的模式还是非常简单的 ， 就是放进去 ， 然后消一层 。
我后来学化学的时候 ， 联想到玩“俄罗斯方块”的经历 ， 突然觉得 ， 这是不是就是原子连接的形式呢？
分子也有形状
原子是构成世界万物 ， 包括人类在内的基础 。
当然 ， 原子并不是最小的单元 。
现在通过量子物理 ， 已经找到了比原子更小的结构 。
原子本身也可以分为电子、质子、中子的形态 。
质子和中子形成一个原子核 ， 在中间 ， 电子是很小的 ， 它在很远的地方 。
电子是基本粒子 ， 但是质子和中子不是 ， 它还可以再继续往下分 ， 一直分到夸克 。
夸克是不是更小的？
现在也不知道 。
所以并不是说原子就是最小的单位 ， 但是 ， 原子对于构成世界万物的基础来说 ， 它是最小的单元 ， 这是没有错的 。
在所有化学反应当中 ， 它都是最小的单位 ， 它不会再往下发生变化 。
世界万物的同样也是通过原子连接起来的 。
如果“俄罗斯方块”是这样的一种连接方式 ， 那么原子是怎样的呢？
它和“俄罗斯方块”还真是异曲同工 。
我这里举了三个非常典型的例子 ， 一个是长条 ， 玩这个游戏的人肯定都会非常喜欢 ， 为什么呢？
你前面可以堆到一个很高的高度 ， 然后留出一个长条来 ， 把这个长条放下去 ， 就能够消掉四行 ， 消四行的得分是非常高的 。
这就很像原子 ， 一个个地依次连接起来 。
还有一种就是T形 。
如果原子也是这样一个一个地相连 ， 它是不是很像三个原子连接起来 ， 然后在中间的原子上面又连接出去一个呢？
最后是一个方块 ， 方块就更有意思了 ， 每一个小方块都是跟另外两个方块相连的 ， 我们把每一个方块当成一个原子 ， 然后跟两个相连 ， 它就形成一个环状的结构了 。
所以用四个原子就可以形成这三种不同类型的结构 。
世界万物的连接 ， 非常重要的一种原子是碳原子 。
人类都是有机物 ， 也是由碳原子构成的 ， 碳原子的连接就很像这样的结构 。
如果拿出四个碳原子 ， 按照上面的结构去连接 ， 首先就是正丁烷的结构 ， 中间就是异丁烷的结构 ， 最后一个是环丁烷的结构 。
正好就是四个碳原子能够连接的所有形态 。
说到这 ， 可能你会问：为什么四个方块能拼出七个 ， 但是用四个碳原子却只有这三种结构呢？
这是因为如果我们把这个结构简化出来 ， 方块、L形和S形 ， 这三种形状是等价的 。
这个方块也是一个方块跟另外一个方块连接 ， 中间的两个当然是两边都有 。
L形也满足这样的形状 ， 它也是两端的 ， 都是跟这个连接 ， 中间的分别是跟两个连接 。
S形就不多说 ， 也是这么一个模式 。
所以这样的三个形状是等价的 。
这个结构就是简化之后 ， 它们都是长条形的 。
这就带来一个新的问题：原子在连接的时候 ， 就没有形状了吗？
"俄罗斯方块”是靠不同的形状来区分的 ， 原子连接是不是也应该有这么一个规律呢？
还真有 。
如果原子再连接 ， 连接成分子的过程 ， 也可以让它从这个连接形式 ， 变成一个有形状的结构 。
像这个S形 ， 如果我们把正丁烷中间的单键变成一个双键 ， 简单来说 ， 就是通过这个结构 ， 把分子的形状固定住了 。
再去看的时候 ， 它就形成了一个S形 。
也就是说 ， 原子在构成分子的时候 ， 也是有形状的 。
可不要说这是一个很简单的道理 ， 在人类的身体中 ， 有很多蛋白质 。 有一部分蛋白质起到了催化的作用 ， 我们把它称为“酶” 。
酶能够起作用 ， 就是因为它的形状是非常特殊的 。
所以 ， 原子在构成分子时需要有不同的形状 ， 这也是非常关键的 。
分子也很小 ， 从分子再变成更大的结构时 ， 也会遵循这个模式 。
比如平常的雪花是六角形的 ， 这个六角形是怎么来的呢？
雪花的分子就是水 ， 水的结构很简单 ， 就是两个氢和一个氧 ， 它形成的结构是V字形的 。
V字形的水是怎么变成六角形的雪花的呢？
这就是因为V字形的水是有特定的形状的 。
它再组合、结晶变成更大的雪花时 ， 每一个水分子和另外的水分子之间 ， 都会以特定的形状结合 。
假如水不是V字形的 ， 而是长条形的 ， 那绝对就堆不出这样的雪花来 。
就是因为它有这么一个结构 ， 其他的水分子会绕着它形成六个包裹一个的状态 ， 然后再继续延伸 ， 最后就出现了六角的雪花结构 。
所以原子在构成分子的过程中具有形状 ， 这个简单的道理影响了很多东西 。
除了雪花和酶之外 ， 世界上任何一种物质 ， 你去看它的结构 ， 都是原子在构成形状的基础上构成的 。
在“俄罗斯方块”中 ， 左边这个红色的是S形 ， 这个紫色的 ， 我们一般称之为Z形 。
这两个形状为什么是不同的呢？
这两个形状看起来是不是很像？我们在打游戏的时候 ， 也会不小心把其中一个看错了 ， 然后放下去 ， 发现不能放 。
这个在化学当中也是存在的 。
S形和Z形就像人的两只手一样 ， 在镜子里面是可以反射的、对称的 。
但是是不能够完全重合的 ， 你可以区分出左手和右手 。
同样 ， 这个绿色的是J形 ， 青色的是L形 ， 这两个也是一样的特点 。
你可以看到它可以背靠背 ， 就像照镜子一样 ， 但是也是不能重合的 。
但这个T形就是可以重合的 ， 你画不出两个T形来 ， 不管哪个角度 ， 四个方向变 ， 所有的T形都是一样的 ， 这就很有意思了 。
这是因为在S形和Z形的组里 ， 自身是不带有镜面的 ， 它只能够通过镜面反射出另外一个 。
这个特点在化学上叫“手性” ， 因为就像人的左右两只手一样 。
那T形为什么没有呢？
因为从中间画一道 ， 它两边是可以对称的 ， 所以你把它扭转过来 ， 不能扭转出新的镜面对称的结构 。
这也是非常有意思的 。
自然界中所有复杂的分子都是不能在中间找出一个镜面的 ， 也就是它自身是不具备对称性的 。
这有什么特点呢？
比如葡萄糖是我们身体的基础 ， 在化学当中 ， 它应该叫“D葡萄糖” ， 和它相对的还有一个“L葡萄糖” 。
这两种东西就像不同的形状一样 ， 在镜子里面是对称的 ， D葡萄糖和L葡萄糖就像照镜子一样 。
但是它自身是没有办法重合的 ， 也就是D葡萄糖和L葡萄糖是没有办法重合到一起的 。
自然界的所有生物都以D葡萄糖为基础 ， L葡萄糖我们吃了之后是不能消化的 。
它们的化学性质是一样的 ， 但是我们只能选择其中一种 。
田螺一般都是左旋的 ， 很少有右旋的 ， 还有其他的各种贝壳 ， 都有这样的特征 ， 这也是通过生物进化发生的过程 。
自然界中所有的对称性最后都会发生破缺 ， 因为分子本身就是不对称的 。
人是如何形成的？
从原子到分子 ， 又是怎么样变成人类这么复杂的生物的？
当然， 我不是要讲进化论这么复杂的主题 ， 我只是讲它演化的过程 。
有了这些形状之后 ， 我们就来说说“俄罗斯方块”的模式是怎样的 。
可以看到 ， 在堆砌的时候 ， 它可以堆得很紧密 ， 最后留出一格 ， 再去把长条或者其他的形状放进去 。
所有的连成十个 ， 每一排填满之后就可以消去 ， 就是这样一个非常简单的规矩 。
这个规矩在我们实际操作的时候 ， 会演化出各式各样的形状 。
很难做得到一盘游戏 ， 你再去玩第二次的时候还能玩出一样的结果 。
几乎每一个下去的时候都带有一点随机性 ， 这就很像自然界中分子组合的过程 。
自然界并不像人类知道有一个规矩 ， 一个个依次把这些摆开 。
没有 。 怎么办呢？
那就是随机性地摆 ， 有时玩得很好 ， 正好能够把这些填平 ， 就可以消掉 。
有些时候可能玩翻车了 ， 最后就堆得乱七八糟 ， 什么都不是 。
自然界就是通过长期的演化 ， 玩出了一个很庞大的“俄罗斯方块”的局 。
玩出来之后你就会发现 ， 有时可能玩得还不错 。
像我们DNA ， 就由四个核酸构成 ， 四个核苷酸、四个碱基对 ， 也就是胞嘧啶、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和腺嘌呤 。
它的构成首先就是原子形成这四个碱基对的过程 ， 是一次小型的“俄罗斯方块” 。
这些原子一个个地形成 ， 有一些可能不合适 ， 就像玩游戏的时候玩得不好 ， 它就被淘汰了 ， 玩得好的最后就形成了 ， 这四个碱基对能够被生物利用 。
这四个碱基对再去拼接时 ， 又会再玩一次大型的“俄罗斯方块” 。
这四个碱基简称A、T、C、G ， A、T、C、G连接时 ， 也是没有规律的 ， 它可能是一个完全随机的过程 。
有些随机随机着就出现了还不错的一个顺序 ， 这个顺序我们现在就管它叫“基因” 。
为什么这么讲呢？
它这种特定的顺序可以连接不同的氨基酸 ， 氨基酸又去组合 ， 组合之后形成一个蛋白质 ， 蛋白质恰恰是可以被利用的 。
它又是一次选择、一次淘汰的过程 。
很多碱基对组合的密码都是没有意义的 ， 人类的基因也是一样 。
人类每一条DNA都有两米多长 ， 拉开之后是非常长的 ， 可能有数千万个原子那么长 ， 这么长的碱基对里只有很小的一部分是有用的数字 。
那些没有用的被淘汰了 ， 只有那些有用的被解读出蛋白质 ， 然后被我们身体应用了 。
在这个过程中又有了新的变化 ， 这些形成的长条会发生蜷曲 ， 我们就管它叫DNA 。
DNA是形成的一个双螺旋 ， 这个双螺旋又会形成一次新的“俄罗斯方块” ， 什么意思呢？
进化论里讲 ， 有一些基因可能在生物体里发育的时候并不是很好 ， 并不是很合适 ， 它最后就被淘汰了 。
有一些生物运用了比较好的基因 ， 比如人相对来说毛发是比较少的 。
就是因为在长期的过程中 ， 我们多毛发的那个基因慢慢地消失掉了 ， 变成了这相对来说毛发比较少的一种生物 。
从原子到最后的生物 ， 都经过这样的演变 ， 在人类自己的创造下 ， 我们可以通过原子去制造分子 ， 然后再用这些分子去制造出像提词器这样的一些物件 。
但是大自然也在塑造生物 ， 通过原子 ， 也是玩同样的游戏 ， 把生物从一个个的分子再变成一个复杂的碱基 ， 然后再变成基因 ， 最后变成人 。
【原子|原子的连接方式，居然和俄罗斯方块“异曲同工”？】人也是一步步地从原始人进化到了现在的这样子 ， 整个都是一个很庞大的原子游戏 。
我今天要讲的就是这样很简单的 ， 但又是很复杂的一个过程 。
时间有限 ， 我不可能展现出它的全貌来 ， 可能还需要大家在自己平常的读书学习过程中 ， 慢慢地感受这个游戏的魅力 。
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