• 當微觀領域物理進入量子級而生命科學又在分子級開始了的大發(fā)現(xiàn)時代時，量子生命科學將可能是一門學科，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》是一部量子生物學的入門著作。雖然作為小白的我讀起來有時會感到晦澀難懂，但也能感到作者盡量通俗的闡釋者一個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的表象，但其內(nèi)部規(guī)律人類簡直還是小學生。文中層層展開，解釋生物現(xiàn)象和量子科學的交叉點，比如：解釋了酶的催化（量子隧穿）、光合作用（量子漫步）、鳥的導航（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。我們終于確認了我們的大腦就是一臺超級量子計算機。
• 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)與通俗知識交融一體，不易總結(jié)凝練，全供各位碎片涉獵吧！

動物大遷徒中的量子作用

• >> 如果沒有量子力學的解釋，我們目前對世界如何運轉(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械的基礎，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年的諾貝爾物理學獎。這個獎頒得或許有些遲了，因為克諾爾在多年前已經(jīng)逝世（1969年），而魯斯卡在得獎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原理的粒子卻暗藏玄機：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。

• >> 因為粒子們能夠同時共舞“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，你也不會在這兒讀這些文字了。我們能夠存在，是因為質(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（比如同時做兩件事、能穿墻而過、擁有幽靈般的聯(lián)結(jié)），是因為沒有人在看。一旦用某些方法去觀察或是測量它們，它們就會失去這些特異性，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，測量結(jié)果表明，這對光子的偏振方向是相關的：當其中一個光子向上偏振時，與其成對的另一個光子會向下偏振。

• >> 自1982年起，這個實驗被重復多次，更有甚者，將成對的兩個光子分開數(shù)百公里之遠，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，因為隱花色素是一種已知的可能會產(chǎn)生自由基對的蛋白質(zhì)。

• >> 生物學，其實只是一種應用化學，而化學又是一種應用物理學。因此，當你非要刨根問底時，所有的事物，包括我們和其他生物，都是物理學而已！

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

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

神奇的生命隨時都在量子級發(fā)生

• >> 凝視夜空，星光中的光子進入你的眼睛。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)抵達大腦的神經(jīng)組織，并生成一種“閃爍”的神經(jīng)沖動，讓你體驗到自己正置身于一閃一閃的漫天繁星之下。

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

• >>此外，你的每一個微小的運動，無論是仰望星空，靜聽風吟，還是嗅聞花香，都要靠數(shù)百條肌肉協(xié)調(diào)行動才能得以實現(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，其實生活在量子的邊緣。

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

• >> 研究熱量與物質(zhì)相互作用的科學被稱為熱力學。

• >> 而且在分子層面上，都是基于隨機運動，都遵循熱力學原理。事實上，幾乎所有能使世界發(fā)生變化的非生物過程（物理的和化學的）都遵循熱力學原理，“混亂”擁有不可阻擋的力量。它不僅是熱力學的基石，也操控著洋流、風暴、巖石風化、森林大火、金屬腐蝕等現(xiàn)象。每一個復雜的過程在我們看來可能是結(jié)構(gòu)嚴謹、秩序井然的，但究其核心，所有現(xiàn)象的驅(qū)動力都是分子的隨機運動。

• >> 在熱力學中，“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，這個系統(tǒng)正在用由分子隨機碰撞產(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。

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

• >> 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”。

• >> 生命的第一個謎題是在每個活細胞內(nèi)生化反應的極度復雜性。

• >> 合成生物學最著名的實踐者可能要數(shù)基因組測序的先驅(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風暴。

• >> 但文特爾和他的團隊不過是修飾了一個現(xiàn)存的生命形態(tài)，而不是完完全全地創(chuàng)造了一個新的生命。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基因組注入到一個活菌細胞內(nèi)，并非常巧妙地誘導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，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)以兆計的最低級的微生物毫不費力地創(chuàng)造著生命，那我們?yōu)槭裁淳妥霾坏侥?？我們是缺了什么原料嗎?/li>

• >> 革命的第一個重大突破性進展是“量子”概念的提出。1900年12月14日，德國物理學家馬克斯·普朗克在德國物理學會的一次研討會上展示了他的研究成果，而這個日子也被廣泛認為是量子理論的誕生之日。當時傳統(tǒng)的觀點認為，與其他形式的能量類似，熱輻射在空間中以波的形式進行傳播。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，認為這些發(fā)熱體表面的物質(zhì)在以一定的離散頻率振動，導致熱能只能通過微小而離散的能量團進行輻射，而且這些能量團不可以再分，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。電子只能從一個軌道躍遷到下一個較低的軌道，并釋放與兩個軌道的能級差完全相同的一團電磁能（一個光子），也就是量子。相應地，如果電子躍遷到一個更高的軌道上，就需要吸收一個具有相應能級差的光子的能量。

• >> 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。當電子從一個能量層級躍遷到另一個能量層級時，它必須吸收或釋放與其躍遷前后能級差相對應的輻射。

• >> 海森堡認為，如果我們不是正在測量，那么我們將無法說出原子中電子的準確位置，不僅如此，由于電子以一種不可知的模糊方式運行，電子本身就沒有一個確定的位置。

• >> 在牛頓世界中，運動方程的解是一個或一組數(shù)字，能夠確定一個物體在給定時間點上的精確位置。而在量子世界中，薛定諤方程的解是一個被稱為波動方程的數(shù)學量，該方程不會告訴我們一個電子在一個特定時間點上的確定位置，但是，它會提供一個數(shù)集來描述：當我們?nèi)ひ掃@個電子時，該電子在不同位置出現(xiàn)的概率各有多大。

• >> 如果警察依照線報采取行動，在盜賊肩上背著贓物從窗戶中爬出時抓他個正著，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，迅速塌縮到一個確定的位置，此時，這個盜賊一定不可能再出現(xiàn)在其他地方。

• >> 如果電子在一個確定的位置被檢測到，其波動方程也會瞬間改變。在檢測到電子的瞬間，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比，當我們在追蹤其運動時，我們不能假設電子在某個特定的時間點上一定會出現(xiàn)在某個特定的位置。相反，我們能描述的只有波動方程，也就是它在同一時間可能出現(xiàn)在任何地方。只有通過“看”（進行一次測量），我們才能“迫使”電子成為一個可以定位的粒子。

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

• >> 熱力學的原理正是如此：大量分子的平均行為是可預測的，而單一分子的行為卻不可預測。

• >> 薛定諤認為，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，其實都已經(jīng)由46個高度有序的超級分子精確地決定了。這些超級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)精細而又如此微小的物質(zhì)擁有這樣的敏感度。在這樣一個微小的層次，量子力學取代了經(jīng)典定律，統(tǒng)領著一切。

生死攸關的酶，無處不在無所不能它在量子級操作。

• >> 新發(fā)現(xiàn)告訴我們，正是由于構(gòu)成這些生物機器的“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間。

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

• >> 加熱一種化學物質(zhì)最終將使其化學鍵斷裂。這也是我們在烹調(diào)大多數(shù)食物時需要加熱的原因：熱量加速了使食材（反應物）轉(zhuǎn)化為更加鮮美的食物（產(chǎn)物）的化學反應。

• >> 但是還有另外一種使反應物變?yōu)楫a(chǎn)物的方法，即降低反應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的原子、質(zhì)子和電子。

• >> 氧化反應的本質(zhì)是電子由供體分子到受體分子的移動。

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

• >> 線粒體之所以看起來就像是獨立存在于人類細胞內(nèi)的細菌細胞一樣，是因為它們也有自己的內(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化而來的，數(shù)億年前該菌寄生在動物和植物祖先的細胞中，后來失去了獨自生存的能力。

• >> 通過實驗實現(xiàn)了量子生物學最初的重大突破：他們發(fā)現(xiàn)，與預期相反，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，這是量子力學的特性之一。

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

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

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

• >> 酶參與了每一個活著或死去的細胞中的每一個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。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的粒子去物質(zhì)化，然后幾乎同時在空間中的另一點重新物質(zhì)化。

• >> 普遍認為，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胞內(nèi)，能夠發(fā)現(xiàn)諸如量子隧穿一樣的量子效應，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)育過程中的每一個步驟都有不同的酶來協(xié)調(diào)參與。比如，當青蛙發(fā)現(xiàn)了一只蒼蠅，來自眼睛的神經(jīng)信號在傳達到大腦的過程中就由一組神經(jīng)遞質(zhì)酶來協(xié)調(diào)。當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胞，引起肌肉細胞收縮。當蒼蠅被青蛙吞入胃中后，青蛙會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生命活動，維系所有生物和人類生命的每一個過程，無一不由酶來加速。酶可以精確操縱基本粒子的運動，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)】