当查尔斯·雷利和唐纳德·英伯着手制作他们的短片——《天地之间》，这部影片是对《星球大战》的一种致敬，（剧透警告）讲述了一个精子在与卵子受精的生死竞速中最终胜出的故事——他们只有一个目标。
英伯，哈佛大学维斯生物启发工程研究所的创始所长，以及雷利，同样是维斯研究所的生物化学研究员，希望这部动画片能够科学准确。为了达到这个目的，两人借鉴了比实验室更常用于银幕的技术。他们寻求的是通常由电子游戏设计师和电影动画师使用的数字成像软件。
他们不仅取得了电影界的辉煌成就，而且通过跳出科学的“孤岛”，他们意外地有了一个新发现：他们理解了精子分子水平的运动机制，这种机制让精子摆动尾巴以驱动其前进的速度。这项研究成果今天发表在期刊《ACS Nano》上。
英伯和雷利在让艺术启迪科学方面并非新手。当英伯还在读研究生时，一次偶然的机会接触到巴克敏斯特·富勒的建筑世界中诞生的一件雕塑，这促使他提出了张力理论。张力，即赋予巴克敏斯特·富勒标志性的测地线穹顶轻盈和强度的张力，不仅适用于建筑结构或人体，也适用于分子结构。
“大多数人造结构都依赖于重力，比如一块砖压在另一块砖上，”英伯说。“想想巨石阵：石头之所以能保持稳定的形态，是因为重力——一块压缩另一块。但如果你从侧面撞击它，它就会像多米诺骨牌一样倒下。”
相比之下，张力理论依赖于连续的张力而非连续的压缩。人体就是这样构建的。我们有抗压的骨骼，被一系列肌肉、肌腱和韧带拉伸。这使我们能够行走，而不是在被侧面轻微触碰时就摔倒。这次与巴基·富勒作品的“碰撞”让英伯意识到，细胞也有一个细胞骨架（字面意义上的细胞骨骼），其工作原理与之类似。细胞有抗压的微管——大致可以看作是我们骨骼的等价物——以及张力肌动蛋白丝，其作用类似于我们的肌腱。这些纤维中的张力决定了细胞的形状和刚度。
这种启蒙式的经历很可能让英伯在雷利第一次联系他时就愿意接受。雷利是一位分子生物物理学家，但在获得博士学位之前，他曾在彼得·杰克逊导演的后期制作电影工作室Park Road Post工作。该工作室负责了《指环王》、《金刚》和《彼得的龙》等作品的特效工作。当雷利离开电影行业转向科学研究时，他继续在业余时间打磨他的数字动画技能。雷利联系英伯是因为他认为动画可以更好地用来帮助公众理解科学。
两位研究员都认为，大多数描绘细胞和分子世界的图像所缺失的是可信度。我们描绘细胞世界和更宏观的生物世界的方式常常是脱节的——例如，很难想象构成人肝脏的细胞与肝脏本身之间的联系。更难概念化的是肝脏如何连接到人体，以及人体又如何连接到更广泛的生态系统。他们希望通过使用好莱坞大片制作中常用的软件来改进这些描绘，不仅能帮助公众更好地理解这些科学联系，还能真正地推进科学研究。《天地之间》只是一个概念验证，但其效果远超预期。
身体力行
如果数字动画和特效软件能够推进科学研究听起来很奇怪，你可能没有意识到一部普通的皮克斯电影中蕴含了多少物理学。
人类的视觉并非完美无缺。但当我们常常被Photoshop所欺骗——我们的大脑填充视觉信息的方式会导致各种视觉幻觉——当我们观察物体在屏幕上的运动方式时，我们却很善于检测运动是否“不对劲”。如果运动不够准确，或者物体表面的反光不够逼真，我们就会进入日本机器人学家森政弘所说的恐怖谷。那些看起来几乎真实但又不太真实的东西通常会让我们感到不适，我们倾向于避开——这几乎是人们观看电影时你最不希望看到的反应。
“因此，目标一直是视觉真实性，”视觉特效软件公司SideFx技术运营副总裁卢克·摩尔说。“我们发现，为了让画面看起来真实，我们必须创建非常精确的物理模拟。”
SideFx公司制作了一款名为Houdini的视觉特效和3D动画工具，英伯和雷利正是使用它来制作《天地之间》的。你可以感谢Houdini带来了《海洋奇缘》中的大海，《权力的游戏》中的爆炸、火焰和迷雾，以及《银河护卫队2》中的伊戈宫殿，还有一系列游戏，因为他们与艺电（EA）等公司紧密合作。
雷利将Houdini比作一种视觉编程语言。用户可以直观地操作，就像使用任何传统的视觉编辑软件一样，但不是用画笔，而是用数学运算和规则来进行艺术探索。Houdini内置了与科学建模软件相同的物理原理。但由于科学模型高度专注于精度，它们可能非常缓慢。Houdini稍微更看重速度；它能够进行足够的精确模拟以避免恐怖谷效应，同时允许合理快速的原型开发。
“它允许你保留一些足够好的东西，即使你知道你可能‘画出了界线’，”雷利说。“然后如果你想，你可以随时回去修改，但可能你不需要修改。这样你也不会浪费两周时间去建模。”
这种灵活性对于模拟生物系统尤其重要，因为实验数据的精确度不足以让传统的工程软件始终适用。Houdini允许研究人员为不同的数据集应用不同权重的计算，以便他们能够直观地混合和匹配，进行探索。
英伯和雷利没有选择X翼战斗机向死星开火，而是选择了精子瞄准另一种热排气口——竞相受精。他们影片的关键在于准确描绘精子的尾巴，称为轴丝，它是一个由九对微管组成的管子，围绕着一对长长的中心管排列成一列。要正确地对其进行动画处理，意味着要一直保持原子级别的准确生物模型。
英伯说，分子动力学使用两种方法之一来预测分子形状或功能的改变。科学家可以使分子变得刚性——基本上将其固定在原地——尽管分子总是在振动并经历柔韧性和不同的形状。这提供了非常高的分辨率，就像一个人的快照，但你无法分辨这个人是在跳舞还是在摔倒。或者他们使用冷冻电子显微镜，这是一项刚刚获得诺贝尔奖的技术。这项技术可以展示分子所有摇摆、舞动和起伏的荣耀，但分辨率相对较低。
通常情况下，没有简单的方法可以解决这些不同类型的信息；这就像在安卓设备上阅读iOS表情符号。但动画软件技术使英伯和雷利能够同时在不同尺度上构建模型，进行修改直到各个部分契合，然后根据数据进行检查以确保其匹配。这有点像拼一个只有一部分图案的拼图：它可能比平时需要更多的试错，但超过某个点后，根据你拥有的数据，拼图只有一种方式能够组合在一起。这种跨尺度移动的能力使研究人员能够获得关于称为驱动蛋白的分子马达如何驱动精子尾部运动的新见解。
驱动蛋白分子沿着微管连接。当称为三磷酸腺苷（ATP）的分子在蛋白质的特定结合位点转化为二磷酸腺苷（ADP）时，驱动蛋白会改变形状，当化学键断裂时释放能量。当这种情况发生时，驱动蛋白形状的改变会使其抓住微管或对其施加力，从而使精子尾部弯曲和移动。如果驱动蛋白是引擎，那么ATP就是汽油。当新的ATP结合到该位点时，驱动蛋白会切换回原状，从而产生精子特有的摆动运动。研究人员能够可视化地观察到成排的驱动蛋白如何协同工作，就像一艘船上的划手们一起划桨一样。
正是这种洞察力，如果没有为电影制作而设计的建模，是无法获得的。
超越孤岛
SideFX公司并未直接参与使用其软件的研究，但摩尔听到这项工作非常激动。“我很高兴听到这件事开始发生，有更多的人在这些平时很少交流的‘孤岛’之间进行对话，”他说。“这让我感到不可思议。那里有巨大的潜力。”
他并非唯一这样想的人。
雷利认为他们最大的成就不是解决了精子运动之谜，而是他们解决问题的方式——通过借鉴不同学科的资产和工具。他看到了科学与娱乐领域在药物开发和疾病建模方面的无限重叠机会。
“想象一下，有一部科幻电影，我们想要里面一些病毒的图像，”雷利说。电影制作人可以与研究人员合作来模拟病毒。电影最终会得到极其准确的病毒图像，而科学家们也可以在这个过程中真正地了解病毒。
“这其中有很多工作，有很多跨越艺术与科学界面的会议。通常是艺术家试图理解科学界正在发生的事情，以便他们能够向公众传达，”英伯表示赞同。“通常科学家对此有些不屑，因为它并不能真正帮助他们推进科学。这里有一个案例，艺术（在这种情况下是娱乐）的进步实际上可以推动科学进程——我认为这就是我们如此兴奋的原因。”
所以，下次当你观看一部充满数字动画特效的暑期大片时，不妨想一想，如果这部电影能帮助科学家找到对抗致命疾病的方法，那将是多么酷的事情。
