计算机在物理、天文、大气等诸多学科领域已经越来越不可或缺，在生命物理中的应用也是如此。因此，《“科技之光”——探索生命：从分子运动到人工智能》课程特别邀请了物理学院的李文飞教授和匡亚明学院的董昊教授分别以《从牛顿方程到生命过程》和《生命体系的分子模拟》向同学们介绍了计算机模拟是如何在生命科学中发挥其重要作用的。
从牛顿方程到生命过程 生命过程非常复杂，也非常奇妙。在这一讲中，李文飞教授首先列举了一些引人深思的问题，比如大脑是怎么工作的，我们记忆是怎么形成的，再比如生物的应激反应是怎么产生的。这些现象和问题在日常生活中和我们息息相关，要回答这些问题，我们需要借助一些物理学的原理和方法。事实上近年来人们在这些科学问题上取得了一些非常大的突破，这些突破往往对应的就是一些物理学的方法和技术的应用。如伟大的物理学家费曼说的，“一切生命世界的行为都可以被理解为原子的颤动和扭动”。 我们可以从原子的各种运动的角度来理解生命现象，但是即便将原子的运动简化为经典的牛顿力学体系，依然涉及到了非常大的计算量。而现代计算机的出现，使得通过对原子的模拟来研究生命现象成为可能。计算机可以通过模拟帮助我们做很多事情，为了加深同学们的理解，李文飞老师现场演示了如何通过十几行 Python 代码用蒙特卡洛方法模拟出灰尘聚集的分形结构。
通过老师的演示和耐心讲解，同学们认识到了计算机模拟是如何在帮助科学家们理解复杂系统方面发挥其重要作用。紧接着，李文飞老师又介绍了一系列计算机在帮助理解更复杂的生命系统中发挥作用的例子。比如通过模拟新冠病毒，可以帮助我们理解病毒是怎么运转的，它的结构是怎么形成的，那么也可以帮助我们寻找一些策略，让我们战胜病毒。通过一系列例子，同学们对生物与物理的交叉融合有了进一步的认识：生物系统为物理学提供了一个广阔的用武之地，同时，随着生物研究的定量化，物理学方法的重要性将更加凸显，计算机模拟在生物研究中也将发挥着越来越重要的作用。课程结束后，李文飞老师就同学们的一些问题做了细致的解答，同学们普遍对生物物理有了基本的认识，不少同学们对生物物理产生了浓厚的兴趣，。
生命体系的分子模拟 上一讲中，李文飞教授分别从“物理学与生命学科的交叉”以及“生命科学中的计算机模拟”两个部分向同学们介绍了物理学家们是如何通过计算模拟来解决生命问题的。这一讲中，董昊教授接着这个主题进一步深化。董昊老师首先总结了化学发展的历程：人们对未知世界的认识是在不断发生变化的，从最早我们的祖先无意识地使用化学，比如我们祖先使用火来制陶；到后来有目的的探索，如西方的炼金和东方的炼丹；再到后面经验性的总结，科学家们提出各种化学规律，研究各种元素；再到系统理论的提出，我们对未知世界的认识经历了一个漫长的发展过程。今天的我们很幸运，我们站在了一个最新的进程上，科学家有了理论计算这么一个很好的工具，而且这个工具正在逐渐成为一个和实验并驾齐驱、相辅相成的研究手段。董老师结合自己的工作，从时间维度和空间维度上以不同的分辨率介绍了不同的计算模拟工作：从电子结构和原子的尺度上，我们可以研究水的结构和质子转移，研究流感病毒的通道蛋白的质子转移过程；从基团和分子的角度上，我们可以研究蛋白质的构象变化，研究离子通过通道蛋白时的传递规律，研究超分子自组装，乃至研究十亿个粒子组成的系统；而在宏观尺度上，计算机模拟同样能一展拳脚，从新冠等流行病的传播，到鱼群的自组装行为和智能控制，都是我们可以用计算机模拟实现的。通过董昊老师对丰富案例的讲解，同学们对理论计算这一工具的巨大潜力有了充分、具体的认识，同时也对科研工作有了直观的印象。（图文：化院 杨玉钦）