摘要
计算机模拟是当今科学界的重要研究工具。计算机使我们能够以我们无法实现的方式来模拟复杂(生物)系统的行为。你可以把这些模拟想象成一个电脑游戏，其中一个虚拟世界是根据某些(例如物理)规则创建的。在玩游戏的过程中，我们学会了管理这个虚拟世界及其环境的规则，以及我们作为玩家影响这个世界的方式。在这篇文章中，我将解释我们如何在结构生物学的世界中使用计算机模拟来研究分子的结构和功能。我还将描述我如何认为我们可以利用生物学和计算机模拟世界的见解来推进我们所生活的社会。
莱维特教授因开发了复杂化学系统的多尺度模型而获得2013年诺贝尔化学奖。
采访并共同撰写诺亚戈夫，毕业于以色列海法以色列理工学院Technion能源项目。
什么是计算机模拟?
一个简单的方法来理解计算机模拟就是电脑游戏。例如，想想冒险游戏，你的角色在一个环境中走动，执行各种动作。为了让游戏看起来逼真，计算机必须建立一个表现得像真实世界的虚拟世界。例如，如果你在比赛中扔出一个球，计算机必须使用适当的物理方程(在这里是牛顿的运动方程)来计算球的运动，并创建一个真实的模拟球在运动过程中的物理路径(图1)．根据同样的原理，计算机可以模拟其他现实生活中的过程，假设我们知道支配它们的物理定律。换句话说，不仅可以模拟控制物体运动的规律，就像我们在上面的例子中看到的那样，而且还可以模拟更复杂的过程，比如天气、化学反应，以及各种生物过程，比如折叠蛋白质，我们将在下面讨论。
- 图1 -在计算机游戏中实现的计算机模拟的示例
- 这个数字来自网络游戏《堡垒之夜》。这个挑战是把球扔到房间里的物体上15次，然后再掉到地上。这款游戏实际上是对物理定律的模拟。为了在游戏中逼真地呈现球的运动，计算机需要根据物理方程——牛顿运动方程——计算出球的物理路径。换句话说，计算机模拟物理定律并将结果显示在屏幕上。通过采用相同的原理，计算机可以模拟自然界中的不同过程，如天气或生物过程，以帮助我们更好地理解它们(来源:《福布斯》)．
我们能从计算机模拟中学到什么?
让我们以冒险游戏为例，如《刺客信条》。假设你的任务发生在意大利的佛罗伦萨，你将使用计算机模拟佛罗伦萨的街道在这座城市中行走。散步的时候，你会看到各种各样的房子和历史遗迹，比如美丽的大教堂——罗马大教堂。在玩了好几个小时这个游戏后，你会对佛罗伦萨的地理有很多了解。有了这些知识，你就可以在佛罗伦萨这个真实的城市里漫步，对它感到熟悉，并识别出你在电脑游戏中遇到的不同地方和地点。这意味着游戏为你提供了关于城市本身的真实知识，即使你从未真正访问过这座城市。通过电脑模拟来学习是一个安全的过程——你不用担心在玩游戏时受伤，所以你可以让自己在游戏中做一些你在现实生活中不敢做的动作。根据游戏的不同，有时甚至会有一些在现实生活中无法完成但在电脑游戏中可以完成的动作(比如你拥有飞行的能力或遇到想象中的生物)。
这种通过计算机模拟获取知识的原则也用于科学领域:我们为正在研究的物理或化学过程建立一个模型，然后用计算机进行模拟。该模型基于描述该过程的数学方程(如图1该模型利用了描述牛顿定律并控制球的物理行为的方程)。计算机使我们能够看到这个过程是如何随着时间展开的，因此我们可以检查模拟的结果是否符合现实世界的过程。如果结果吻合，那么我们就可以得出结论，这个模型是好的，可以用来更好地理解我们正在研究的现象。如果计算机结果不符合现实世界的结果，那么我们认为模型需要修正。修改模型可以帮助我们识别我们对正在研究的过程的理解中的错误。因为模拟并不危险，所以我们可以尝试各种在现实生活中甚至不可能探索的模型和可能性。在这样的计算机模拟过程中，有时会出现令人惊讶的情况，我们可能会发现，我们所研究的“狂野”模型实际上最能描述所调查的现象。计算机模型给了我们创造性的自由，让我们找到了用其他方法很难找到的对现实的解释。
刚刚好
当在科学中使用计算机模拟时，最重要的原则之一就是我所说的“刚刚好”。根据这个原则，我们需要建立一个不太简单也不太复杂的模型。如果模型过于简单，就不能充分详细地描述我们想要研究的现象。相反，如果模型过于复杂，我们将无法使用它来获得有助于我们理解的信息。我认为每个研究人员都应该在简单和基本的层面上了解他们在做什么，这样他们才能向别人解释他们的研究。如果有人说他们发现了一些伟大的东西，但它太复杂而无法解释，我会充满怀疑，我不相信他们真的理解了他们正在学习的东西。因此，我总是寻找足够好的最简单的模型(正如您将在图2下面是关于蛋白质的折叠)。我相信这是一个关于生命的非常普遍的观点——每种解释都有其“刚刚好”的水平。因此，我建议你总是寻找最简单的解释来阐明你试图理解的东西——不要多也不要少。
- 图2 -蛋白质的折叠
- (一)一个用计算机模拟蛋白质的简单模型。这种蛋白质被描述为由不同特征的珠子组成的项链。每种颜色描述了一种不同类型的珠子，每个珠子描述了一组原子及其相互作用(正如你可以在珠子上方或下方的圆圈中看到的那样)(采用自Cragnell et al. [2]）.(B)一个简单的蛋白质模型，作为一串珠子，还包括描述特定颜色珠子之间相互作用的数学方程。该模型足以描述蛋白质折叠成稳定的三维形状(采用自Researchgate)．
结构生物学中的计算机模拟“，
现在我将向你展示我们如何使用计算机模拟和“刚刚好”原理来理解生物学中一个非常重要的现象——蛋白质的折叠。对蛋白质结构的研究是一个叫做结构生物学．让我们想想生物体是如何运作的。在人体内，有许多被称为蛋白质的弦状结构。这些蛋白质折叠起来形成三维形状。每种蛋白质都有自己独特的形状，在每个生物体内都是一样的。令人惊奇的是，这些3d形状的蛋白质执行着生命的所有功能——构建身体、进行化学反应、运动肌肉和消化食物。因此，理解决定蛋白质最终形状的折叠过程是极其重要的。
蛋白质是由数千个原子相互作用而成的大分子。如果我们想要运行计算机模拟来处理蛋白质中所有这些原子及其相互作用，这就变得太复杂了。在20世纪70年代初，我和阿里耶·沃谢尔一起研究这个问题，1975年，我们在一份重要的科学杂志上发表了我们的发现。1］．我们发现，我们可以建立一个简单的蛋白质模型，将其呈现为由不同类型的珠子组成的项链，其中每种类型的珠子与其他珠子有一些不同的特征(图2一个)．每一颗珠子都代表一组(比如说10个)原子及其相互作用。特定的珠子(比如红珠子)会被其他特定的珠子(比如蓝珠子)吸引。这个简单的模型为蛋白质的折叠提供了充分而有用的解释。图2 b)，并已被许多其他分子计算所接受为模型[2］．这些模拟使我们能够理解，甚至预测不同蛋白质的三维结构，并更好地理解它们的生物活性。我们还可以用计算机设计出可以用作药物的分子。
超越生物学的计算机模拟——未来的愿景
多样性，多样性，还是多样性
生物系统面临着一个独特的挑战:它们需要准备好应对未来某个时候可能发生的意外情况。任何系统如何为从未经历过的场景做好准备?答案很简单:通过多样性。大自然试图在一个系统内创造大量的变化，以便系统能够适应和修改其过程，以应对不可预见的挑战。
例如，在动物中，每个后代都会随机接受来自父母的遗传信息(DNA)的一半，因此每个后代都是独一无二的，并增强了物种的多样性。通过这种方式，对整个动物群体来说，对未来可能发生的情况做出反应的准备程度增加了，这增加了物种对意外情况的集体恢复力。
我认为生物学教给我们的多样性原则也适用于生活的许多其他方面。例如，一个强大的社会是一个多元化的社会，在这个社会中，不同的人，不同的社会背景，性别和教育，应该学会生活在一起，相互理解和接受。事实上，无论是在学校还是在家里，我们总是要想办法与周围的人谈判。有时我们不得不处理困难和复杂的社会情况，当然，我们中的一些人比其他人更善于解决我们遇到的冲突。此外，我们的生活本身是多样的，有起有落，有意想不到的情况。一个更美好的未来和一个稳定的社会的关键取决于我们成功地处理生命多样性的能力。处理各种各样的社会和个人情况需要一个良好的发展情商．我相信我们可以用电脑模拟来帮助我们提高我们的情商。
情商发展的计算机模拟
提高情商的计算机模拟可以采用交互式游戏的形式，模拟一个困难的社交情境，并允许你采用不同的策略来解决问题。图3)．例如，有人在课堂上侮辱你。你应该如何应对，以确保你不会完全破坏与那个人合作的任何可能性?使用计算机模拟，你可以看到你可能采取的各种不同行动的结果。这种类型的活动，无论是单独进行还是作为教育系统的一部分，都可以在促进情商的发展方面发挥重要作用。
- 图3 -发展情商的电脑模拟。
- 计算机模拟也许能够教会我们生活中的复杂情况。想象一个像上图所示的游戏，它允许你体验一个复杂的社交情境，并尝试不同的反应和应对方式。这样的游戏可以让你更好地应对现实生活中的情况和不同人的不同反应:它可以帮助你发展更复杂的情商Rockpapershotgun)．
给年轻人的建议
我想和你们分享一些我从科学生涯和生活中获得的感悟。首先，做你喜欢的事情是很重要的。不要做你父母想让你做的或社会告诉你做的;试着做你真正喜欢做的事情。没有比做自己真正热爱的事情更好的生活了。第二，不要放弃。相信自己，不要因为成功或失败而过于兴奋。记住，每件坏事都有好的一面，每件好事也都有坏的一面，我们可以从两者中学习。坚持相信自己，最终别人也会相信你。第三，要有独创性。 Each of us is special and unique. Try expressing your uniqueness and not just copy others. Fourth, be ready to make mistakes. I always say that a good scientist is someone who makes mistakes 90% of the time, and a really good scientist makes mistakes 99% of the time. Why? Because if you are excellent in your field, you deal with the most difficult problems. If you are not prepared to make mistakes, you will never deal with the more challenging things. Fifth, be a kind person—be generous and warm—these are important qualities to nurture.
我想推荐给你们的最后一件事与计划有关。我认为在生活中，虽然你确实需要提前计划，但太多的计划会导致失望。生活从来不会按照我们的计划进行，令人惊讶的事情经常发生在我们的计划之外。如果你太忙于你原来的计划，你甚至不会注意到新的机会。理想状态是在执行计划和准备好应对生活带来的意外之间取得微妙的平衡。
额外的材料
迈克尔·莱维特诺贝尔演讲．
迈克尔·莱维特向年轻学生解释他的工作Youtube．
术语表
计算机模拟：↑用计算机进行基于计算的科学研究的工具。你可以把计算机模拟想象成电脑游戏，帮助科学家学习和更好地理解他们所研究的现象。
蛋白质：↑执行生命所有功能的大生物分子——建造身体、参与化学反应、消化食物等。你可以把蛋白质想象成项链，由不同类型的珠子组成，折叠成独特的3D形状，因此每个蛋白质都有自己独特的折叠形状。
结构生物学：↑研究由小分子组成的大分子(大分子)结构的一个研究领域。研究人员试图理解分子折叠形成某种3D结构的原理。
情商：↑识别自己和他人的情绪，理解它们，并利用它们与不同的人更好地互动的能力。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
参考文献
[1]↑莱维特，M.和沃谢尔，A. 1975。蛋白质折叠的计算机模拟。自然253:694-8。doi: 10.1038 / 253694 a0
[２]↑Cragnell, C.， Rieloff, E.， Skepö， M. 2018。利用粗粒度建模和蒙特卡罗模拟来评估内在无序蛋白质和区域的构象集成。J. Mol.生物学。430:2478 - 92。doi: 10.1016 / j.jmb.2018.03.006