文｜《中国科学报》张晴丹

躲过防空洞，见识过窗外街区夜空中飞来的无人机和导弹，再艰难的环境，张亚飞也没停止科研的步伐。

张亚飞所在的耶路撒冷希伯来大学，周围是岩石遍布的山城。这里水资源短缺，气候条件并不适宜植物生长。但向来不循规蹈矩的张亚飞偏要用最浪漫的玫瑰花破局出新，挑战不可能。

北京时间5月2日凌晨，张亚飞的最新研究登上Science封面。恰逢玫瑰花争相盛开的季节，他的文章为人们揭示了“玫瑰之美”的数学奥秘。这些发现为自然界形态形成和生长调控的基本原理提供了新的元素。

最新一期Science封面图

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1 是什么塑造了玫瑰花的独特形态？

大自然塑造万物的方式总是令人惊叹，并常常超出人类的想象力。这其中，理解自然界中形态演化的原理一直是数学、自然科学、技术科学和艺术设计等领域的基石。玫瑰因其美学魅力和象征意义而广受赞誉，启发了无数艺术和文学创作。

然而，令人惊讶的是一个科学谜题至今未解：究竟是怎样的物理机制塑造了玫瑰花这般独树一帜的形态特征？

“很长时间以来，人们认为常见植物的生长力学已经被研究得很清楚了，然而没有注意到玫瑰花是一个别具一格的系统。早在清华大学读博时，我就很关注大自然塑造万物背后的基本原理，并把挑战无人开辟的领域作为目标。”文章唯一第一作者、耶路撒冷希伯来大学博士后张亚飞在接受《中国科学报》采访时说。

生长和形态深度关联，通常由几何不相容引发的力学失稳所介导。几十年来，人们普遍认为高斯非相容（Gauss incompatibility）是自然生长的纤细组织演化失稳的根源。然而，玫瑰花瓣的生长是高斯相容的，但其花瓣边缘涌现的高度局域、奇异的尖点，却无法由当前已知的几何机制所解释。

“我们结合理论、实验和模拟研究发现，虽然玫瑰花的生长满足‘高斯绝妙定理’，但却违反了Mainardi-Codazzi-Peterson（MCP）方程，是新颖的MCP阻挫塑造了玫瑰花的独特形态！”张亚飞介绍。

后来，他进一步研究了尖点处应力集中对组织后续生长的影响，提出了“几何—力学—生物”的反馈回路。这是在自然系统中，对MCP阻挫、自发应力集中及其对组织生长影响的第一份报道。这项研究超出了艺术审美，它将MCP非相容性定位为天然和人造自变形系统中，尖点形成的通用机制。

张亚飞汇报科研进展

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2 因为热爱，从未觉得辛苦

在选定玫瑰花为研究对象时，张亚飞也未曾料到，国内随处可见的玫瑰花在耶路撒冷竟成了“奢侈品”。寻找合适的玫瑰花成了第一道很难跨越的关卡。

花店的冷藏玫瑰花品相很差，还十分昂贵，国内5毛钱一朵都卖不出去的枯萎玫瑰花，在耶路撒冷的花店售价20元人民币一朵。于是，到公园和附近的社区采花成了唯一选择。

“我在耶路撒冷采花做研究是从10月开始，这里既非好产地，此时也非好时节，同时伴随‘巴以冲突’带来的恐慌。我躲过防空洞，也见识过窗外街区夜空中飞来的无人机和导弹。但我很清楚的是，采花这件事我必须得做，而且要做好。”张亚飞表示。

于是，那段时间，张亚飞不是在采花，就是在采花的路上。书包里总是装着花瓶和剪刀，口袋里揣着现金和护照——因为很担心剪到了别人的“私人财产”而造成纠纷。毫不夸张地说，在公园和社区有多少玫瑰花，生长在哪个角落，哪一朵、哪一天值得往返坐2个小时的公交车去采摘，张亚飞都能如数家珍。

历尽千辛万苦，总算把玫瑰花苞剪回来了，但该在哪里寻找稳定环境进行延时摄影呢？这里的实验办公条件远不如清华的资源。为了避免他人干扰，张亚飞选择把设备搬回宿舍进行延时摄影，在那里几乎“与世隔绝”了15天。

“为了获得稳定的光源和环境温度，我关掉了窗户、拉上窗帘、打开所有的灯（昼夜不熄），宿舍非常闷热也不敢开空调，就在这样的环境下持续拍摄了15天。除了一台实验室的相机，自己的iPhone和iPad全都断网并用于延时摄影，只通过笔记本和家人取得联系。”张亚飞说。

好友见到此番情景，非常惊愕地竖起大拇指说：“我觉得你肯定能行！”“其实我也觉得我能行，这已经是我能创造的最好条件了。”张亚飞说。

在朋友和同事眼中，张亚飞是一个非常勤奋刻苦的人，但他从来不觉得做科研很辛苦。“我很确定我对科学研究，尤其是对事物基本原理的探究是出自纯粹的热爱，而且能通过数学语言、力学模型去理解这个世界，本身就是一件很酷的事情。这使我觉得，对科研的长时间投入是一件自发、快乐并具有强烈吸引力的事。尽管其中的不顺利，也常常给自己带来挫败感，但发自内心的探索欲、强大的意志力和对自己的信心，总会让自己很快恢复——我本来就是研究Frustration（几何阻挫）的啊！”

张亚飞参加学术会议

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3 物理系第一篇Science封面文章

张亚飞博士毕业于清华大学固体力学所。之所以选择希伯来大学从事博士后研究，是因为“这所大学在微分几何用于弹性系统或者力学系统的相关研究方面非常顶尖。如果喜欢这个方向，这是一个最好的选择”。

在清华读博期间，张亚飞阅读了1000多篇论文，他不仅要学习其中的知识，还要剖析这些论文作者是如何展示故事的。尽管积累了丰富的写稿经验，但他在玫瑰花这项研究的书写中，仍遇到了两个棘手的问题。

“第一个困难是如何把深刻的微分几何语言写得浅显易懂，让生物、材料、化学等更多学科的人都能轻松理解我们所传递的科学信息，这是一件非常挑战的事情。”张亚飞说，“此外，把揭示自然基本原理的偏理论的工作发表在Science上也非常挑战，我们经历了很多次文章思路的推倒重来，以尽可能广泛地适应受众。”

实际上，这是张亚飞第一次写Cover letter。“一开始也是两眼一抹黑，不知道该怎么写，导师们给了我几个模板，我一看写得太好了，我无法超越，当时就很绝望。但我还是逼着自己，用了两天时间写出了Cover letter，没想到竟然打动了期刊编辑。”

整个审稿过程顺风顺水，也获得了三位审稿人一致正面评价，都认为这是一个非常完整且优雅的研究，把数学原理很好地融入到生物系统、艺术美学中。文章在2月份就已经接收，在这个玫瑰花盛开的季节正式发布，或许蕴含着时光与诗意的浪漫。

这是张亚飞第一篇发在Science上的文章，也是耶路撒冷希伯来大学Racah物理系首次以封面形式在Science期刊发表文章。

这些发现为自然界形态形成和生长调控的基本原理提供了新的元素。通过阐明MCP几何非相容机制，不仅增强了对自然形态美学和功能的理解，还为复杂的艺术设计以及工程材料的开发开辟了崭新途径。研究中获得的见解有可能启发生物学、软物质物理学、材料科学、机器人工程和设计等众多学科的研究。

4 少走弯路的秘诀：良师+益友

在科研这条道路上，张亚飞认为自己是一个极其幸运的人。“因为我遇到了很多良师益友，他们都是我学术的灯塔，为我提供了充沛的精神食粮。”

“在清华读博士期间，导师陈常青教授给了我充分的自由去发展科研技能，培养属于自己的学术视角，而不是简单地复制他的学术思想。无论做人还是做研究，陈老师都培养了我。合作导师郑泉水教授更是强调创新和挑战：‘要做别人不敢做的事，告诉别人不知道的信息。’”张亚飞说。

博士阶段，张亚飞取得了非常好的成绩，毕业论文荣获清华大学优秀博士论文。博士后面试时，合作导师发现张亚飞同时能做“理论、模拟和实验”三方面的研究，便告诉他：“你就是我们要找的人”。

“我的两位导师都是非常有特色、鼓舞人心的科学家。Eran Sharon教授是实验物理学家，兼顾‘弹性’和‘湍流’两个截然不同的方向；Michael Moshe教授是理论物理学家，专注于发展软物质物理的几何范式。他们都有着非常高的学术品位，从不止步于对特定物理现象的浅层表征，而倾向于归纳出更深刻、普适的理论框架。”张亚飞介绍。

从左至右依次为：Eran Sharon、张亚飞、Omri Y. Cohen、Michael Moshe

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两位导师的引导、训练和鼓励，让张亚飞坚信复杂的自然系统中总有优雅的几何机制：一切都可以被模型化！“这一点特别打动我，让我很坚定地去做有见解和洞察力的研究。比如‘玫瑰花’这个项目，如果只是停留在观测、表征和论述层次，其实是很难发表在Science期刊上的，最重要的仍是我们在‘形态发生的几何原理’方面的新突破。”

“他们还极力培养我独立的能力，要求我来领导项目的整个过程：包括理论、实验、模拟、写作乃至Cover letter。他们要求我必须有自己的判断和见解，必须独当一面。经常教导我：‘你不是一个追随者，你应该是一个有创造力的思想者。’我的技能也因而得到了进一步的成长和发展，当然也没有辜负导师的期望。”

无论工作上，还是生活中，张亚飞都已经和导师成为了朋友。“他们经常请我吃饭喝咖啡、死海漂流、沙漠徒步、种地收橄榄等等。他们选择科学问题的推敲、看待问题的视角、对核心物理的把控、精准的物理直觉和强大的学术技能，总让我心驰神往：我须博采众长，但要做和导师不一样的人。”

在科研路上，志同道合的朋友也尤为重要。荷兰阿姆斯特丹大学的周愿和北京大学的温智瑄博士是张亚飞非常重要的学术伙伴。“无论学术见解还是科研技能，他们两个都才华横溢。他们总是在我低谷、困惑和自我怀疑时，给予我技术帮助和精神支持。哪怕是有时差，只要我需要，他们随时可以跟我线上讨论。好伙伴带来的正向反馈和提供前行的能量，对我走出细节泥潭和心态调整尤为关键。”

万语千言终归一句。“我对科学研究永远热爱，永不停止。正如封面中所写的那样：On the cusp!”张亚飞说。

*文中图片皆为受访者提供

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx1733