【导学课】当物理学遇见生物学...
你是否对各种奇怪的生物现象产生过兴趣呢？
鸟或昆虫的质量与飞行速度、微生物系统间的相互作用、生态网络中的能量流动，在这些复杂的生物现象背后又隐藏着什么样的物理规律呢？
在分子尺度，我们如何测量一个病毒把DNA弯折并存储到蛋白质外壳所需要的能量？
在细胞尺度，我们如何定量分析细胞的基因表达？如何通过物理模型分析生物世界？
在生态系统尺度，我们如何计算寄生于人体的上百种微生物的比例？
......
尽管世界看起来很复杂，但真理一定是简单、优雅、和谐的。
物理生物学是一门利用现有的物理知识和数学公式，精确地测量和描述生物体系的结构、功能和行为，使生物学建立在定量的物理学基础之上的学科。
在我们的课程里，你将初窥物理生物学的秘密，那些你从前难以解释的生物现象，你可以用简单优美的数学公式来解释，甚至预测生物的发展未来；你将利用物理模型定量分析肠道菌群生态，了解不同物种间的相关作用与其发展的关系。
导师介绍
胡脊梁，清华大学钱学森力学班2017届毕业生，现在麻省理工学院（MIT）攻读博士学位，与物理系Jeff Gore教授做物理生物学和系统生态学方面的研究。胡脊梁的科研工作涉及到生态网络，群体行为和复杂系统等多个领域。他通过结合理论分析和实验研究，证明了只需要少数统计变量就可以准确地预测生态网络的复杂行为——这为理解复杂生态网络中的相变和涌现提供了系统的框架。胡脊梁在钱班大四期间曾以第一作者身份在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）发表学术论文，至今已在Science，PNAS等国际顶级期刊发表多篇论文。
课程简介
物理生物学一共有三讲。
第一讲，探究单物种种群生长的模型，探究不同假设下的模型与自然条件下实际情况的吻合程度；
第二讲，研究的对象变成了两个物种，并考虑物种之间的相互作用，及其对于种群生长的影响；
第三讲，进一步研究多物种，也即物种数量非常多的情况。
每讲结束后，我们还邀请了来自清华大学的博士生们给同学们解答学习过程遇到的问题。
接下来我们简单介绍一下学习的内容：
物理生物学既有物理又有生物，究竟是怎样的一项研究呢？
同学们可能会觉得有一个很大的矛盾：生物学是描述性的观察性的，物理学则相反，通常用一个公式，一个定律来描述，比如牛顿三定律、欧姆定律、万有引力定律……
物理学和生物学如何结合？如何交叉？
我们将会以一个全新的视角向同学们展现物理学和生物学的联系。
我们都知道，社会的运作离不开我们每个人的分工合作。同样的，在生物间也存在这样一个社会叫生态系统，不同的生物在其中扮演着不同的角色，履行着各自的职能。
在这个生态系统中，我们如何得知某一种动物在未来的数量变化呢？它们的变化趋势是什么？我们能否通过某一种方法获得它们的生长模型？动物之间会相互影响它们的生长模型吗？
了解这些问题，可以帮助我们更好地理解生态系统，更好地解释生物的现象。
而在生态系统中，不同的生物之间，通过捕食和被捕食等关系，会形成复杂的食物链和食物网，最终形成一个庞大复杂的生态网络。
在我们肉眼看不见的地方，依然存在着大量的生物，我们把它们称为微生物。
微生物包括细菌、病毒、 真菌等，在环境、甚至在人体中普遍存在。我们身体要保持一个健康的状态，离不开这些微生物间的平衡。
最新的研究表明，人体内的细菌对人体的免疫系统、消化系统、神经系统的正常工作发挥着重要的作用。人体是自身细胞和微生物的集合体，要使人类更健康地生存，就必须研究人体内微生物的相互作用。
发霉的面包、腐烂的水果，这些我们生活中所见的场景，都与微生物息息相关。
在图中，不同的颜色代表不同的细菌。我们知道，面包的发霉就是微生物生长的过程，那么在面包中，这些微生物的生长趋势又是如何的呢？不同的细菌之间会相互影响，又是什么导致了图中的两种不同的生长模型呢？
不管是微生物生态，还是宏观生态系统，内部存在着各种各样的相互作用和交换。当人类对生态系统进行一定的干扰，会对其功能带来怎么样的影响呢？
在本课程中，你将通过推导和模拟种群生长模型，来理解和研究生态系统内部不同物种在环境制约和物种相互作用下的动力学过程。
你将研究单物种生长动力学，理解非线性微分方程导致的动力学分岔现象，及其在生态学中的意义；
你将学习和研究双物种动力学模型，理解简单的物种间相互作用可能导致的复杂动力学行为：共存，双稳态，竞争抑制和极限环震荡等；
你将使用统计学方法研究多物种复杂生态系统的行为，理解复杂系统的涌现这个概念。
课程报名
只要你是在读高中生、本科生（或者相应年龄/教育阶段）
只要你对挑战未知充满渴望
那就来试试吧！
你的潜能远比你想象得更大，只要你能踏出这第一步！
开课时间：3月26日起，连续3周，逢周六直播开课
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