- 当微观领域物理进入量子级而生命科学又在分子级开始了的大发现时代时，量子生命科学将可能是一门学科，而吉姆·艾尔－哈利利 约翰乔·麦克法登所著的《神秘的量子生命》是一部量子生物学的入门著作。虽然作为小白的我读起来有时会感到晦涩难懂，但也能感到作者尽量通俗的阐释者一个微观世界的星辰大海。
- 许多我们了解的生物规律和能力最终都自然而然地指向量子科学的表象，但其内部规律人类简直还是小学生。文中层层展开，解释生物现象和量子科学的交叉点，比如：解释了酶的催化（量子隧穿）、光合作用（量子漫步）、鸟的导航（量子纠缠）、鱼的嗅觉（量子自旋）、基因突变（量子跃迁）等生命现象。读后醍醐灌顶，感觉打开了新的视野。
- 我们可以一起跟着知更鸟和帝王蝶长途迁徙；可以深入植物细胞“观看”光合作用的能量转化过程；可以变成一条小丑鱼，靠着非凡的嗅觉寻找方向。我们终于确认了我们的大脑就是一台超级量子计算机。
- 全书信息量巨大，摘录部分只是作为大家打开这本书的引子，专业与通俗知识交融一体，不易总结凝练，全供各位碎片涉猎吧！
◆ 动物大迁徒中的量子作用
- >> 如果没有量子力学的解释，我们目前对世界如何运转的大部分看法都不能成立。
- >>知更鸟几千公里的迁徙，靠的是基于量子纠缠原理的神秘生命现象？
- >> 虽然波粒二象性不是什么你每天都需要考虑的事情，但它构成了许多非常重要机械的基础，比如电子显微镜。
- >> 克诺尔和鲁斯卡在1931年制造了世界上第一台电子显微镜，并用它拍下了世界上第一张病毒的照片。恩斯特·鲁斯卡因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这个奖颁得或许有些迟了，因为克诺尔在多年前已经逝世（1969年），而鲁斯卡在得奖两年后也离开了人世。电子显微镜大大打开了人类在微观领域研究的视野，就像发现了新大陆。
- >> 原子核这一类遵循量子力学原理的粒子却暗藏玄机：它们通过一种被称为“量子隧穿”（quantum tunneling）的过程，可以轻松地穿透上述的壁垒。从本质上讲，是它们的波粒二象性使它们能够完成隧穿。
- >> 因为粒子们能够同时共舞“华尔兹”和“爵士”，所以我们的宇宙到现在不至于还是一锅氢气粥，除了氢气外别无他物——没有发光的恒星，没有其他元素，你也不会在这儿读这些文字了。我们能够存在，是因为质子和中子以反直觉的量子方式存在着。
- >> 为什么我们看到的所有物体不会像量子粒子一样完成这些怪异而又神奇的事情呢？答案是，在微观的量子世界中，粒子们之所以能够表现得如此奇特（比如同时做两件事、能穿墙而过、拥有幽灵般的联结），是因为没有人在看。一旦用某些方法去观察或是测量它们，它们就会失去这些特异性，表现得像我们周围随处可见的那些经典的普通物体一样了。
- >> 但是，测量结果表明，这对光子的偏振方向是相关的：当其中一个光子向上偏振时，与其成对的另一个光子会向下偏振。
- >> 自1982年起，这个实验被重复多次，更有甚者，将成对的两个光子分开数百公里之远，而分开的光子总能表现出这种让爱因斯坦无法接受的幽灵般的纠缠联系。----量子纠缠，是量子世界的原则之一。
- >> 直到1998年，舒尔滕在一篇论文中了解到，在动物的眼中发现了一种神秘的光感受器，叫作隐花色素（cryptochrome）。这立刻激起了他的科研直觉，因为隐花色素是一种已知的可能会产生自由基对的蛋白质。
- >> 生物学，其实只是一种应用化学，而化学又是一种应用物理学。因此，当你非要刨根问底时，所有的事物，包括我们和其他生物，都是物理学而已！
- >> 尽管现在只有一小部分科学家坚持认为量子力学在生命现象中扮演的角色不是无足轻重的，而是至关重要的，但这个数量正在增长。
- >> 而生命，在一个特殊的位置——量子世界与经典世界的边缘上，维持着奇异的量子特性。
◆ 神奇的生命随时都在量子级发生
- >> 凝视夜空，星光中的光子进入你的眼睛。光子经视网膜组织转换为极其微弱的电流，沿着视神经抵达大脑的神经组织，并生成一种“闪烁”的神经冲动，让你体验到自己正置身于一闪一闪的漫天繁星之下。
- >>与此同时，你的内耳毛发细胞感受到了小于1/109个大气压力的轻微气压变化，并生成听觉神经信号来提醒你，微风正拂过树林，那声音仿佛鸣响的口哨。几个分子飘入你的鼻子，被特殊的嗅觉感受器捕捉到，这些分子的化学特性紧接着传递到你的大脑，告诉你现在正值夏日时光，金银花正在盛放。
- >>此外，你的每一个微小的运动，无论是仰望星空，静听风吟，还是嗅闻花香，都要靠数百条肌肉协调行动才能得以实现。
- >> 生命似乎一只脚踩在了充斥着日常物品的经典世界中，而另一只脚陷在了奇怪而特别的量子世界中。我们想说的是，生命，其实生活在量子的边缘。
- >> 灵魂的概念虽然不再是现代科学的一部分，但它至少将对生命体与非生命体的研究区分开来，使科学家能够心无旁骛地研究非生命体内部运动的成因而不受神学和哲学问题的困扰。
- >> 研究热量与物质相互作用的科学被称为热力学。
- >> 而且在分子层面上，都是基于随机运动，都遵循热力学原理。事实上，几乎所有能使世界发生变化的非生物过程（物理的和化学的）都遵循热力学原理，“混乱”拥有不可阻挡的力量。它不仅是热力学的基石，也操控着洋流、风暴、岩石风化、森林大火、金属腐蚀等现象。每一个复杂的过程在我们看来可能是结构严谨、秩序井然的，但究其核心，所有现象的驱动力都是分子的随机运动。
- >> 在热力学中，“熵”用来描述一种缺乏秩序的状态，因此，高度有序的状态被描述为拥有较低的熵。
- >> 我们希望你已经注意到，这个系统正在用由分子随机碰撞产生的能量来使自身的一部分保持高度有序的状态。在热力学中，“熵”（entropy）用来描述一种缺乏秩序的状态，因此，高度有序的状态被描述为拥有较低的熵。
- >> 随着科学进步，人们发现组成生命体的物质似乎与构成非生命体的化学物质是相同的，并因此遵循相同的化学规律。活力论渐渐让位于机械论。
- >> 每条DNA链都由一串由磷、氧原子及叫作脱氧核糖的糖类分子组成，在分子链上还像念珠一样分布着叫作核苷酸的化学结构。核苷酸“念珠”有四种变体：腺嘌呤（adenine，缩写为A）、鸟嘌呤（guanine，缩写为G）、胞嘧啶（cytosine，缩写为C）和胸腺嘧啶（thymine，缩写为T）。因此，这些核苷酸沿着DNA链的排列就提供了一种一维的“遗传字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。
- >> 生命的第一个谜题是在每个活细胞内生化反应的极度复杂性。
- >> 合成生物学最著名的实践者可能要数基因组测序的先驱克雷格·文特尔[插图]（Craig Venter）了，他在2010年宣称自己创造出了人造生命，并由此掀起了一场科学风暴。
- >> 但文特尔和他的团队不过是修饰了一个现存的生命形态，而不是完完全全地创造了一个新的生命。他们选择了一种能使山羊得病的名为丝状支原体（Mycoplasma mycoides）的致病菌，先是合成了该致病菌整套基因组的DNA，然后将合成的DNA基因组注入到一个活菌细胞内，并非常巧妙地诱导该活菌将自己原先那条单一的染色体替换成合成的DNA。
- >> 我们能够混合生化物质、加热它们、照射它们，我们甚至能像玛丽·雪莱（Mary Shelley）笔下的弗兰肯斯坦一样，用电来使它们具有生机，但是，我们要想创造生命，就只能将这些生化物质注射到活细胞中，或是吃下它们，让它们成为我们身体的一部分。每一秒都有数以兆计的最低级的微生物毫不费力地创造着生命，那我们为什么就做不到呢？我们是缺了什么原料吗？
- >> 革命的第一个重大突破性进展是“量子”概念的提出。1900年12月14日，德国物理学家马克斯·普朗克在德国物理学会的一次研讨会上展示了他的研究成果，而这个日子也被广泛认为是量子理论的诞生之日。当时传统的观点认为，与其他形式的能量类似，热辐射在空间中以波的形式进行传播。问题在于，波理论无法解释某些发热物体的能量辐射现象。因此，普朗克提出了一种全新的观点，认为这些发热体表面的物质在以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射，而且这些能量团不可以再分，普朗克称其为“量子”。
- >> 为了解释原子的稳定性，玻尔认为，电子并不能自由地占据原子核外的任意轨道，而是只能占据某些固定的或量子化的轨道。电子只能从一个轨道跃迁到下一个较低的轨道，并释放与两个轨道的能级差完全相同的一团电磁能（一个光子），也就是量子。相应地，如果电子跃迁到一个更高的轨道上，就需要吸收一个具有相应能级差的光子的能量。
- >> 电子之类的基本粒子，只能拥有特定的波频，每种拥有特定的能量层级。当电子从一个能量层级跃迁到另一个能量层级时，它必须吸收或释放与其跃迁前后能级差相对应的辐射。
- >> 海森堡认为，如果我们不是正在测量，那么我们将无法说出原子中电子的准确位置，不仅如此，由于电子以一种不可知的模糊方式运行，电子本身就没有一个确定的位置。
- >> 在牛顿世界中，运动方程的解是一个或一组数字，能够确定一个物体在给定时间点上的精确位置。而在量子世界中，薛定谔方程的解是一个被称为波动方程的数学量，该方程不会告诉我们一个电子在一个特定时间点上的确定位置，但是，它会提供一个数集来描述：当我们去寻觅这个电子时，该电子在不同位置出现的概率各有多大。
- >> 如果警察依照线报采取行动，在盗贼肩上背着赃物从窗户中爬出时抓他个正着，那么又该如何解释呢？在这一瞬间，警察描述盗贼行踪的概率分布，迅速塌缩到一个确定的位置，此时，这个盗贼一定不可能再出现在其他地方。
- >> 如果电子在一个确定的位置被检测到，其波动方程也会瞬间改变。在检测到电子的瞬间，在其他地方发现该电子的概率就变为零。
- >> 电子与盗贼形成鲜明的对比，当我们在追踪其运动时，我们不能假设电子在某个特定的时间点上一定会出现在某个特定的位置。相反，我们能描述的只有波动方程，也就是它在同一时间可能出现在任何地方。只有通过“看”（进行一次测量），我们才能“迫使”电子成为一个可以定位的粒子。
- >> 如果没有量子力学对所有事物如何协调共存的解释力，现代技术世界的一大半成果都不可能出现。
- >> 热力学的原理正是如此：大量分子的平均行为是可预测的，而单一分子的行为却不可预测。
- >> 薛定谔认为，生命正是一种能在空中飞翔、能用两足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生长，或是能阅读此书的量子现象。
- >> 你眼睛的颜色、鼻子的形状、性格的方方面面、智力水平甚至包括患不同疾病的倾向，其实都已经由46个高度有序的超级分子精确地决定了。这些超级分子正是你从父母那里继承来的DNA染色体（共46条）。在已知的宇宙中，没有任何一种宏观非生命物体能够对结构精细而又如此微小的物质拥有这样的敏感度。在这样一个微小的层次，量子力学取代了经典定律，统领着一切。
◆ 生死攸关的酶，无处不在无所不能它在量子级操作。
- >> 新发现告诉我们，正是由于构成这些生物机器的“齿轮”和“杠杆”一直深入到量子世界之中，我们和其他所有生物才能活着。
- >> 凝乳酶在小牛犊体内的本来作用是使牛犊摄入的牛奶凝结，以便牛奶能在其消化道留存更久，从而为吸收留下更长的时间。
- >> 比起老旧而经典的化学催化剂，生命催化剂似乎能够触碰到更深层次的现实，并巧妙地用到一些量子的把戏。
- >> 加热一种化学物质最终将使其化学键断裂。这也是我们在烹调大多数食物时需要加热的原因：热量加速了使食材（反应物）转化为更加鲜美的食物（产物）的化学反应。
- >> 但是还有另外一种使反应物变为产物的方法，即降低反应物需要翻越的能量壁垒。这正是催化剂的工作。
- >> 酶通过使过渡态更加稳定来加速像肽键断裂之类的化学过程，从而提高形成最终产物的概率。
- >> 酶在干什么？答案很显然：酶在分子内或分子间操控着单个的原子、质子和电子。
- >> 氧化反应的本质是电子由供体分子到受体分子的移动。
- >> 呼吸作用发生在一种叫作“线粒体”的复杂细胞器内。
- >> 线粒体之所以看起来就像是独立存在于人类细胞内的细菌细胞一样，是因为它们也有自己的内部结构，比如膜。它们甚至还有自己的DNA。
- >> 线粒体几乎肯定是从一种共生菌类进化而来的，数亿年前该菌寄生在动物和植物祖先的细胞中，后来失去了独自生存的能力。
- >> 通过实验实现了量子生物学最初的重大突破：他们发现，与预期相反，在低温下，呼吸酶中电子跳跃的速度并没有大幅下降。
- >> 如果小球是一个电子，山丘是由电磁斥力形成的能量壁垒，那么就存在很小的可能性使电子以波的形式穿越这个壁垒，也就是说，电子可以另辟蹊径，以更高效的方式完成穿越。这就是量子隧穿
- >> 粒子越轻，隧穿便越容易，这是量子力学的特性之一。
- >> 很少有科学家还会怀疑电子在呼吸反应链中穿梭的方式是量子隧穿了。这就将动物及非光合作用微生物细胞中最重要的产能反应纳入量子生物学的研究范围。
- >> 即使是单个质子，其质量也是电子的2 000倍，而量子隧穿对于隧穿粒子的质量极度敏感：小的粒子容易隧穿，而重粒子隧穿时的阻力就要大很多，除非隧穿的距离非常短。不过，最近几个非常精彩的实验表明，即使是质量相对较大的粒子在酶促反应中照样可以量子隧穿。
- >> 大约有1/3的酶促反应都包含了将“氢原子”从一处移到另一处的环节。
- >> 酶参与了每一个活着或死去的细胞中的每一个生物分子的合成与分解。与其他生命要素一样，酶之于生命，生死攸关。有的酶，或者说可能所有的酶，其工作原理是使处于空间中某一点的粒子去物质化，然后几乎同时在空间中的另一点重新物质化。
- >> 普遍认为，量子相干性在分子涡流中难以存在，因此，在分子激荡得像海一样波澜壮阔的活细胞内，能够发现诸如量子隧穿一样的量子效应，可谓非常意外。
- >> 在身体的其他部位，不同的酶正在忙碌地合成与分解支持生命的其他生物大分子——脂肪、DNA、氨基酸、蛋白质和糖。此外，青蛙发育过程中的每一个步骤都有不同的酶来协调参与。比如，当青蛙发现了一只苍蝇，来自眼睛的神经信号在传达到大脑的过程中就由一组神经递质酶来协调。当青蛙猛地伸舌粘住苍蝇，肌肉的收缩要靠另一种叫作肌凝蛋白的酶，该酶大量涌入肌肉细胞，引起肌肉细胞收缩。当苍蝇被青蛙吞入胃中后，青蛙会释放一系列的酶来加速其消化，将苍蝇的营养成分水解，以便自身吸收。此外，还有许多其他的酶会将吸收的营养素转变为青蛙的组织，或是利用这些营养，通过细胞线粒体内的呼吸酶发挥作用为青蛙供能。
- >>酶是生命的引擎。青蛙和其他所有生物的每一项生命活动，维系所有生物和人类生命的每一个过程，无一不由酶来加速。酶可以精确操纵基本粒子的运动，并能借此深入到量子世界中利用其奇异的法则。这一切共同铸就了酶非凡的催化能力。
【待续】
