• 當(dāng)微觀領(lǐng)域物理進(jìn)入量子級(jí)而生命科學(xué)又在分子級(jí)開始了的大發(fā)現(xiàn)時(shí)代時(shí)，量子生命科學(xué)將可能是一門學(xué)科，而吉姆·艾爾－哈利利 約翰喬·麥克法登所著的《神秘的量子生命》是一部量子生物學(xué)的入門著作。雖然作為小白的我讀起來有時(shí)會(huì)感到晦澀難懂，但也能感到作者盡量通俗的闡釋者一個(gè)微觀世界的星辰大海。

• 許多我們了解的生物規(guī)律和能力最終都自然而然地指向量子科學(xué)的表象，但其內(nèi)部規(guī)律人類簡直還是小學(xué)生。文中層層展開，解釋生物現(xiàn)象和量子科學(xué)的交叉點(diǎn)，比如：解釋了酶的催化（量子隧穿）、光合作用（量子漫步）、鳥的導(dǎo)航（量子糾纏）、魚的嗅覺（量子自旋）、基因突變（量子躍遷）等生命現(xiàn)象。讀后醍醐灌頂，感覺打開了新的視野。

• 我們可以一起跟著知更鳥和帝王蝶長途遷徙；可以深入植物細(xì)胞“觀看”光合作用的能量轉(zhuǎn)化過程；可以變成一條小丑魚，靠著非凡的嗅覺尋找方向。我們終于確認(rèn)了我們的大腦就是一臺(tái)超級(jí)量子計(jì)算機(jī)。
• 全書信息量巨大，摘錄部分只是作為大家打開這本書的引子，專業(yè)與通俗知識(shí)交融一體，不易總結(jié)凝練，全供各位碎片涉獵吧！

動(dòng)物大遷徒中的量子作用

• >> 如果沒有量子力學(xué)的解釋，我們目前對(duì)世界如何運(yùn)轉(zhuǎn)的大部分看法都不能成立。

• >>知更鳥幾千公里的遷徙，靠的是基于量子糾纏原理的神秘生命現(xiàn)象？

• >> 雖然波粒二象性不是什么你每天都需要考慮的事情，但它構(gòu)成了許多非常重要機(jī)械的基礎(chǔ)，比如電子顯微鏡。

• >> 克諾爾和魯斯卡在1931年制造了世界上第一臺(tái)電子顯微鏡，并用它拍下了世界上第一張病毒的照片。恩斯特·魯斯卡因此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)獎(jiǎng)?lì)C得或許有些遲了，因?yàn)榭酥Z爾在多年前已經(jīng)逝世（1969年），而魯斯卡在得獎(jiǎng)兩年后也離開了人世。電子顯微鏡大大打開了人類在微觀領(lǐng)域研究的視野，就像發(fā)現(xiàn)了新大陸。

• >> 原子核這一類遵循量子力學(xué)原理的粒子卻暗藏玄機(jī)：它們通過一種被稱為“量子隧穿”（quantum tunneling）的過程，可以輕松地穿透上述的壁壘。從本質(zhì)上講，是它們的波粒二象性使它們能夠完成隧穿。

• >> 因?yàn)榱Ｗ觽兡軌蛲瑫r(shí)共舞“華爾茲”和“爵士”，所以我們的宇宙到現(xiàn)在不至于還是一鍋氫氣粥，除了氫氣外別無他物——沒有發(fā)光的恒星，沒有其他元素，你也不會(huì)在這兒讀這些文字了。我們能夠存在，是因?yàn)橘|(zhì)子和中子以反直覺的量子方式存在著。

• >> 為什么我們看到的所有物體不會(huì)像量子粒子一樣完成這些怪異而又神奇的事情呢？答案是，在微觀的量子世界中，粒子們之所以能夠表現(xiàn)得如此奇特（比如同時(shí)做兩件事、能穿墻而過、擁有幽靈般的聯(lián)結(jié)），是因?yàn)闆]有人在看。一旦用某些方法去觀察或是測(cè)量它們，它們就會(huì)失去這些特異性，表現(xiàn)得像我們周圍隨處可見的那些經(jīng)典的普通物體一樣了。

• >> 但是，測(cè)量結(jié)果表明，這對(duì)光子的偏振方向是相關(guān)的：當(dāng)其中一個(gè)光子向上偏振時(shí)，與其成對(duì)的另一個(gè)光子會(huì)向下偏振。

• >> 自1982年起，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被重復(fù)多次，更有甚者，將成對(duì)的兩個(gè)光子分開數(shù)百公里之遠(yuǎn)，而分開的光子總能表現(xiàn)出這種讓愛因斯坦無法接受的幽靈般的糾纏聯(lián)系。—-量子糾纏，是量子世界的原則之一。

• >> 直到1998年，舒爾滕在一篇論文中了解到，在動(dòng)物的眼中發(fā)現(xiàn)了一種神秘的光感受器，叫作隱花色素（cryptochrome）。這立刻激起了他的科研直覺，因?yàn)殡[花色素是一種已知的可能會(huì)產(chǎn)生自由基對(duì)的蛋白質(zhì)。

• >> 生物學(xué)，其實(shí)只是一種應(yīng)用化學(xué)，而化學(xué)又是一種應(yīng)用物理學(xué)。因此，當(dāng)你非要刨根問底時(shí)，所有的事物，包括我們和其他生物，都是物理學(xué)而已！

• >> 盡管現(xiàn)在只有一小部分科學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)在生命現(xiàn)象中扮演的角色不是無足輕重的，而是至關(guān)重要的，但這個(gè)數(shù)量正在增長。

• >> 而生命，在一個(gè)特殊的位置——量子世界與經(jīng)典世界的邊緣上，維持著奇異的量子特性。

神奇的生命隨時(shí)都在量子級(jí)發(fā)生

• >> 凝視夜空，星光中的光子進(jìn)入你的眼睛。光子經(jīng)視網(wǎng)膜組織轉(zhuǎn)換為極其微弱的電流，沿著視神經(jīng)抵達(dá)大腦的神經(jīng)組織，并生成一種“閃爍”的神經(jīng)沖動(dòng)，讓你體驗(yàn)到自己正置身于一閃一閃的漫天繁星之下。

• >>與此同時(shí)，你的內(nèi)耳毛發(fā)細(xì)胞感受到了小于1/109個(gè)大氣壓力的輕微氣壓變化，并生成聽覺神經(jīng)信號(hào)來提醒你，微風(fēng)正拂過樹林，那聲音仿佛鳴響的口哨。幾個(gè)分子飄入你的鼻子，被特殊的嗅覺感受器捕捉到，這些分子的化學(xué)特性緊接著傳遞到你的大腦，告訴你現(xiàn)在正值夏日時(shí)光，金銀花正在盛放。

• >>此外，你的每一個(gè)微小的運(yùn)動(dòng)，無論是仰望星空，靜聽風(fēng)吟，還是嗅聞花香，都要靠數(shù)百條肌肉協(xié)調(diào)行動(dòng)才能得以實(shí)現(xiàn)。

• >> 生命似乎一只腳踩在了充斥著日常物品的經(jīng)典世界中，而另一只腳陷在了奇怪而特別的量子世界中。我們想說的是，生命，其實(shí)生活在量子的邊緣。

• >> 靈魂的概念雖然不再是現(xiàn)代科學(xué)的一部分，但它至少將對(duì)生命體與非生命體的研究區(qū)分開來，使科學(xué)家能夠心無旁騖地研究非生命體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的成因而不受神學(xué)和哲學(xué)問題的困擾。

• >> 研究熱量與物質(zhì)相互作用的科學(xué)被稱為熱力學(xué)。

• >> 而且在分子層面上，都是基于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，都遵循熱力學(xué)原理。事實(shí)上，幾乎所有能使世界發(fā)生變化的非生物過程（物理的和化學(xué)的）都遵循熱力學(xué)原理，“混亂”擁有不可阻擋的力量。它不僅是熱力學(xué)的基石，也操控著洋流、風(fēng)暴、巖石風(fēng)化、森林大火、金屬腐蝕等現(xiàn)象。每一個(gè)復(fù)雜的過程在我們看來可能是結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、秩序井然的，但究其核心，所有現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力都是分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

• >> 在熱力學(xué)中，“熵”用來描述一種缺乏秩序的狀態(tài)，因此，高度有序的狀態(tài)被描述為擁有較低的熵。

• >> 我們希望你已經(jīng)注意到，這個(gè)系統(tǒng)正在用由分子隨機(jī)碰撞產(chǎn)生的能量來使自身的一部分保持高度有序的狀態(tài)。在熱力學(xué)中，“熵”（entropy）用來描述一種缺乏秩序的狀態(tài)，因此，高度有序的狀態(tài)被描述為擁有較低的熵。

• >> 隨著科學(xué)進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)組成生命體的物質(zhì)似乎與構(gòu)成非生命體的化學(xué)物質(zhì)是相同的，并因此遵循相同的化學(xué)規(guī)律?；盍φ摑u漸讓位于機(jī)械論。

• >> 每條DNA鏈都由一串由磷、氧原子及叫作脫氧核糖的糖類分子組成，在分子鏈上還像念珠一樣分布著叫作核苷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)。核苷酸“念珠”有四種變體：腺嘌呤（adenine，縮寫為A）、鳥嘌呤（guanine，縮寫為G）、胞嘧啶（cytosine，縮寫為C）和胸腺嘧啶（thymine，縮寫為T）。因此，這些核苷酸沿著DNA鏈的排列就提供了一種一維的“遺傳字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。

• >> 生命的第一個(gè)謎題是在每個(gè)活細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)的極度復(fù)雜性。

• >> 合成生物學(xué)最著名的實(shí)踐者可能要數(shù)基因組測(cè)序的先驅(qū)克雷格·文特爾[插圖]（Craig Venter）了，他在2010年宣稱自己創(chuàng)造出了人造生命，并由此掀起了一場科學(xué)風(fēng)暴。

• >> 但文特爾和他的團(tuán)隊(duì)不過是修飾了一個(gè)現(xiàn)存的生命形態(tài)，而不是完完全全地創(chuàng)造了一個(gè)新的生命。他們選擇了一種能使山羊得病的名為絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的致病菌，先是合成了該致病菌整套基因組的DNA，然后將合成的DNA基因組注入到一個(gè)活菌細(xì)胞內(nèi)，并非常巧妙地誘導(dǎo)該活菌將自己原先那條單一的染色體替換成合成的DNA。

• >> 我們能夠混合生化物質(zhì)、加熱它們、照射它們，我們甚至能像瑪麗·雪萊（Mary Shelley）筆下的弗蘭肯斯坦一樣，用電來使它們具有生機(jī)，但是，我們要想創(chuàng)造生命，就只能將這些生化物質(zhì)注射到活細(xì)胞中，或是吃下它們，讓它們成為我們身體的一部分。每一秒都有數(shù)以兆計(jì)的最低級(jí)的微生物毫不費(fèi)力地創(chuàng)造著生命，那我們?yōu)槭裁淳妥霾坏侥兀课覀兪侨绷耸裁丛蠁幔?/li>

• >> 革命的第一個(gè)重大突破性進(jìn)展是“量子”概念的提出。1900年12月14日，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克在德國物理學(xué)會(huì)的一次研討會(huì)上展示了他的研究成果，而這個(gè)日子也被廣泛認(rèn)為是量子理論的誕生之日。當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，與其他形式的能量類似，熱輻射在空間中以波的形式進(jìn)行傳播。問題在于，波理論無法解釋某些發(fā)熱物體的能量輻射現(xiàn)象。因此，普朗克提出了一種全新的觀點(diǎn)，認(rèn)為這些發(fā)熱體表面的物質(zhì)在以一定的離散頻率振動(dòng)，導(dǎo)致熱能只能通過微小而離散的能量團(tuán)進(jìn)行輻射，而且這些能量團(tuán)不可以再分，普朗克稱其為“量子”。

• >> 為了解釋原子的穩(wěn)定性，玻爾認(rèn)為，電子并不能自由地占據(jù)原子核外的任意軌道，而是只能占據(jù)某些固定的或量子化的軌道。電子只能從一個(gè)軌道躍遷到下一個(gè)較低的軌道，并釋放與兩個(gè)軌道的能級(jí)差完全相同的一團(tuán)電磁能（一個(gè)光子），也就是量子。相應(yīng)地，如果電子躍遷到一個(gè)更高的軌道上，就需要吸收一個(gè)具有相應(yīng)能級(jí)差的光子的能量。

• >> 電子之類的基本粒子，只能擁有特定的波頻，每種擁有特定的能量層級(jí)。當(dāng)電子從一個(gè)能量層級(jí)躍遷到另一個(gè)能量層級(jí)時(shí)，它必須吸收或釋放與其躍遷前后能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的輻射。

• >> 海森堡認(rèn)為，如果我們不是正在測(cè)量，那么我們將無法說出原子中電子的準(zhǔn)確位置，不僅如此，由于電子以一種不可知的模糊方式運(yùn)行，電子本身就沒有一個(gè)確定的位置。

• >> 在牛頓世界中，運(yùn)動(dòng)方程的解是一個(gè)或一組數(shù)字，能夠確定一個(gè)物體在給定時(shí)間點(diǎn)上的精確位置。而在量子世界中，薛定諤方程的解是一個(gè)被稱為波動(dòng)方程的數(shù)學(xué)量，該方程不會(huì)告訴我們一個(gè)電子在一個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)上的確定位置，但是，它會(huì)提供一個(gè)數(shù)集來描述：當(dāng)我們?nèi)ひ掃@個(gè)電子時(shí)，該電子在不同位置出現(xiàn)的概率各有多大。

• >> 如果警察依照線報(bào)采取行動(dòng)，在盜賊肩上背著贓物從窗戶中爬出時(shí)抓他個(gè)正著，那么又該如何解釋呢？在這一瞬間，警察描述盜賊行蹤的概率分布，迅速塌縮到一個(gè)確定的位置，此時(shí)，這個(gè)盜賊一定不可能再出現(xiàn)在其他地方。

• >> 如果電子在一個(gè)確定的位置被檢測(cè)到，其波動(dòng)方程也會(huì)瞬間改變。在檢測(cè)到電子的瞬間，在其他地方發(fā)現(xiàn)該電子的概率就變?yōu)榱恪?/li>

• >> 電子與盜賊形成鮮明的對(duì)比，當(dāng)我們?cè)谧粉櫰溥\(yùn)動(dòng)時(shí)，我們不能假設(shè)電子在某個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)上一定會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)特定的位置。相反，我們能描述的只有波動(dòng)方程，也就是它在同一時(shí)間可能出現(xiàn)在任何地方。只有通過“看”（進(jìn)行一次測(cè)量），我們才能“迫使”電子成為一個(gè)可以定位的粒子。

• >> 如果沒有量子力學(xué)對(duì)所有事物如何協(xié)調(diào)共存的解釋力，現(xiàn)代技術(shù)世界的一大半成果都不可能出現(xiàn)。

• >> 熱力學(xué)的原理正是如此：大量分子的平均行為是可預(yù)測(cè)的，而單一分子的行為卻不可預(yù)測(cè)。

• >> 薛定諤認(rèn)為，生命正是一種能在空中飛翔、能用兩足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生長，或是能閱讀此書的量子現(xiàn)象。

• >> 你眼睛的顏色、鼻子的形狀、性格的方方面面、智力水平甚至包括患不同疾病的傾向，其實(shí)都已經(jīng)由46個(gè)高度有序的超級(jí)分子精確地決定了。這些超級(jí)分子正是你從父母那里繼承來的DNA染色體（共46條）。在已知的宇宙中，沒有任何一種宏觀非生命物體能夠?qū)Y(jié)構(gòu)精細(xì)而又如此微小的物質(zhì)擁有這樣的敏感度。在這樣一個(gè)微小的層次，量子力學(xué)取代了經(jīng)典定律，統(tǒng)領(lǐng)著一切。

生死攸關(guān)的酶，無處不在無所不能它在量子級(jí)操作。

• >> 新發(fā)現(xiàn)告訴我們，正是由于構(gòu)成這些生物機(jī)器的“齒輪”和“杠桿”一直深入到量子世界之中，我們和其他所有生物才能活著。

• >> 凝乳酶在小牛犢體內(nèi)的本來作用是使牛犢攝入的牛奶凝結(jié)，以便牛奶能在其消化道留存更久，從而為吸收留下更長的時(shí)間。

• >> 比起老舊而經(jīng)典的化學(xué)催化劑，生命催化劑似乎能夠觸碰到更深層次的現(xiàn)實(shí)，并巧妙地用到一些量子的把戲。

• >> 加熱一種化學(xué)物質(zhì)最終將使其化學(xué)鍵斷裂。這也是我們?cè)谂胝{(diào)大多數(shù)食物時(shí)需要加熱的原因：熱量加速了使食材（反應(yīng)物）轉(zhuǎn)化為更加鮮美的食物（產(chǎn)物）的化學(xué)反應(yīng)。

• >> 但是還有另外一種使反應(yīng)物變?yōu)楫a(chǎn)物的方法，即降低反應(yīng)物需要翻越的能量壁壘。這正是催化劑的工作。

• >> 酶通過使過渡態(tài)更加穩(wěn)定來加速像肽鍵斷裂之類的化學(xué)過程，從而提高形成最終產(chǎn)物的概率。

• >> 酶在干什么？答案很顯然：酶在分子內(nèi)或分子間操控著單個(gè)的原子、質(zhì)子和電子。

• >> 氧化反應(yīng)的本質(zhì)是電子由供體分子到受體分子的移動(dòng)。

• >> 呼吸作用發(fā)生在一種叫作“線粒體”的復(fù)雜細(xì)胞器內(nèi)。

• >> 線粒體之所以看起來就像是獨(dú)立存在于人類細(xì)胞內(nèi)的細(xì)菌細(xì)胞一樣，是因?yàn)樗鼈円灿凶约旱膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，比如膜。它們甚至還有自己的DNA。

• >> 線粒體幾乎肯定是從一種共生菌類進(jìn)化而來的，數(shù)億年前該菌寄生在動(dòng)物和植物祖先的細(xì)胞中，后來失去了獨(dú)自生存的能力。

• >> 通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子生物學(xué)最初的重大突破：他們發(fā)現(xiàn)，與預(yù)期相反，在低溫下，呼吸酶中電子跳躍的速度并沒有大幅下降。

• >> 如果小球是一個(gè)電子，山丘是由電磁斥力形成的能量壁壘，那么就存在很小的可能性使電子以波的形式穿越這個(gè)壁壘，也就是說，電子可以另辟蹊徑，以更高效的方式完成穿越。這就是量子隧穿

• >> 粒子越輕，隧穿便越容易，這是量子力學(xué)的特性之一。

• >> 很少有科學(xué)家還會(huì)懷疑電子在呼吸反應(yīng)鏈中穿梭的方式是量子隧穿了。這就將動(dòng)物及非光合作用微生物細(xì)胞中最重要的產(chǎn)能反應(yīng)納入量子生物學(xué)的研究范圍。

• >> 即使是單個(gè)質(zhì)子，其質(zhì)量也是電子的2 000倍，而量子隧穿對(duì)于隧穿粒子的質(zhì)量極度敏感：小的粒子容易隧穿，而重粒子隧穿時(shí)的阻力就要大很多，除非隧穿的距離非常短。不過，最近幾個(gè)非常精彩的實(shí)驗(yàn)表明，即使是質(zhì)量相對(duì)較大的粒子在酶促反應(yīng)中照樣可以量子隧穿。

• >> 大約有1/3的酶促反應(yīng)都包含了將“氫原子”從一處移到另一處的環(huán)節(jié)。

• >> 酶參與了每一個(gè)活著或死去的細(xì)胞中的每一個(gè)生物分子的合成與分解。與其他生命要素一樣，酶之于生命，生死攸關(guān)。有的酶，或者說可能所有的酶，其工作原理是使處于空間中某一點(diǎn)的粒子去物質(zhì)化，然后幾乎同時(shí)在空間中的另一點(diǎn)重新物質(zhì)化。

• >> 普遍認(rèn)為，量子相干性在分子渦流中難以存在，因此，在分子激蕩得像海一樣波瀾壯闊的活細(xì)胞內(nèi)，能夠發(fā)現(xiàn)諸如量子隧穿一樣的量子效應(yīng)，可謂非常意外。

• >> 在身體的其他部位，不同的酶正在忙碌地合成與分解支持生命的其他生物大分子——脂肪、DNA、氨基酸、蛋白質(zhì)和糖。此外，青蛙發(fā)育過程中的每一個(gè)步驟都有不同的酶來協(xié)調(diào)參與。比如，當(dāng)青蛙發(fā)現(xiàn)了一只蒼蠅，來自眼睛的神經(jīng)信號(hào)在傳達(dá)到大腦的過程中就由一組神經(jīng)遞質(zhì)酶來協(xié)調(diào)。當(dāng)青蛙猛地伸舌粘住蒼蠅，肌肉的收縮要靠另一種叫作肌凝蛋白的酶，該酶大量涌入肌肉細(xì)胞，引起肌肉細(xì)胞收縮。當(dāng)蒼蠅被青蛙吞入胃中后，青蛙會(huì)釋放一系列的酶來加速其消化，將蒼蠅的營養(yǎng)成分水解，以便自身吸收。此外，還有許多其他的酶會(huì)將吸收的營養(yǎng)素轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗤艿慕M織，或是利用這些營養(yǎng)，通過細(xì)胞線粒體內(nèi)的呼吸酶發(fā)揮作用為青蛙供能。

• >>酶是生命的引擎。青蛙和其他所有生物的每一項(xiàng)生命活動(dòng)，維系所有生物和人類生命的每一個(gè)過程，無一不由酶來加速。酶可以精確操縱基本粒子的運(yùn)動(dòng)，并能借此深入到量子世界中利用其奇異的法則。這一切共同鑄就了酶非凡的催化能力。

【待續(xù)】