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◆ 中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物學的澎湃 >> 活細胞中數(shù)以千計的生化反應無時無刻不在進行，由酶、其他蛋白質和大分子參與的復雜過程在生物體中執(zhí)行著各類不可思議的任務。 >> 化學家們認為，當深入到生命體的分子層面時，觀察到遵循量子力學規(guī)律的現(xiàn)象不足為奇。他們認為，如果挖掘得足夠深入，一切事物都是量子的。 ◆ 動物大遷徒 >> 知更鳥：它們能感知到地球磁場的方向與強度。這種能力被稱為磁感應（magnetoreception）。 >> 發(fā)熱體表面的物質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，被稱為“量子”。 >> “電子具有波的性質”這一發(fā)現(xiàn)直接催生了電子顯微鏡的發(fā)明。 >> 德國科學家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發(fā)現(xiàn)，因為電子產生的波長（指任一波中連續(xù)兩個波峰或波谷之間的距離）比可見光的波長要短得多，因此基于電子成像的顯微鏡會比普通的光學顯微鏡捕捉到更多的細節(jié)。 >> 如果要讓兩個質子靠近到足以聚變，那么兩個質子必須要有能力穿越一堵亞原子尺度的“磚墻”：一個明顯不可穿透的能量壁壘。 >> 疊加態(tài)現(xiàn)象指粒子可以同時完成兩件、100件甚至100萬件事情。 >> 在大爆炸之后，宇宙誕生，彼時的空間中充斥著單一的原子，即以最簡單的形式存在的氫原子——由一個帶正電荷的質子和一個帶負電荷的電子構成。 >> 在充滿氫的恒星內部，可以利用氫的另一種形態(tài)來生成這些更重的元素。氫的這種更重的形態(tài)叫作氘或重氫。而氘原子之所以能存在，多少要歸功于量子的魔法。 >> 合成的第一步是兩個氫原子核，也就是質子，通過量子隧穿效應靠得足夠近時，釋放一些能量。 >> 第二步，兩個質子必須結合在一起，這個過程并不容易，因為兩個質子間的作用并不能提供足夠的黏合力。所有的原子核其實由兩種粒子構成：質子和電中性的中子。 >> 量子力學的原理就認為原子核內的平衡會重新調整，部分多余的粒子會轉變?yōu)榱硪环N粒子：質子變成中子或是中子變成質子。這種轉變的過程被稱為β衰變（beta-decay）。兩個質子結合時所發(fā)生的事情正是如此：兩個質子不能共存，其中之一會β衰變?yōu)橹凶?。剩余的質子與新生成的中子會結合形成一種新的物質氘核（氫的同位素[插圖]氘的原子核），之后，氘核會進一步發(fā)生核反應，合成更加復雜的、重于氫的原子核，從氦（兩個質子加一個或兩個中子）到碳、氮、氧，以此類推。 >> 我們能夠存在，是因為質子和中子以反直覺的量子方式存在著。 >> 量子糾纏是指，曾經在一起的粒子，無論分開多么遙遠的距離，都能保持瞬時的、近乎魔法般的聯(lián)系。 ◆ 神奇的生命 >> 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。 >> 分子隨機碰撞（及其化學反應）產生的自由能被用來維持生命體并復制生命體。 >> 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構。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）。 >> 生命的第一個謎題是在每個活細胞內生化反應的極度復雜性。 >> 生命的另一個謎題是死亡。 >> 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。 >> 量子力學的基本性質之一，那就是頻率與能量緊密相關。 >> 海森堡相信，如果不去測量，我們完全不可能畫出電子的肖像，而薛定諤則更喜歡將沒有被觀測的電子想象成一個真實的物質波，只不過我們一觀測，就會“塌縮”為一個離散的粒子。 >> 量子波動方程覆蓋整個空間，這意味著在描述電子時，我們所能做的極限就是算出一個數(shù)集來描述電子同時存在于空間中各點的概率，而不是在一個單一的位置找到電子。 >> 量子概率并不意味著我們的知識存在缺陷，我們也無法通過獲得更多的信息來彌補這一“缺陷”，因為量子概率本身就是自然界在微觀層面的根本性質之一。 >> 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。 >> “生命有機體似乎是一個宏觀系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一部分傾向于某種行為……所有的系統(tǒng)在當溫度趨近絕對零度且分子的無序狀態(tài)消除時，都將趨向于這種行為。” >> 隨機分子運動會干擾精心排列的量子系統(tǒng)，這種現(xiàn)象被稱為“退相干”（decoherence）。正是這種現(xiàn)象快速地抵消掉了宏觀非生命物體奇特的量子效應。 ◆ 02 酶是生命的引擎 >> 酶是生命的引擎。所有的生命都依賴酶。我們體內的每一個細胞中都填充著數(shù)百甚至數(shù)千個這樣的分子機器，無時無刻不在“幫助”細胞組裝和回收利用生物分子，使之持續(xù)不停地運轉下去。這個過程，就是我們所說的“活著” ◆ 生死攸關的酶 >> 幾千年前，我們的祖先可以通過添加酵母使谷子變成啤酒、葡萄汁變成紅酒，而酵母本質上就是一包以細菌為包裝的酶 >> 幾百個這樣扭曲的氨基酸分子會串在一起形成蛋白質，就像一串顆顆形狀各異的念珠。每個念珠通過“肽鍵”與下一顆念珠連接，肽鍵連接了一個氨基酸中的碳原子與下一個氨基酸中的氮原子。 >> 肽鍵可是讓霸王龍體內的膠原蛋白纖維緊密結合6 800萬年！膠原蛋白是一種特別穩(wěn)固的蛋白質，這對于其作為內部紐帶維持生命組織形狀與結構的角色至關重要。 >> 凝乳酶在小牛犢體內的本來作用是使牛犢攝入的牛奶凝結，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。 >> 膠原蛋白是一串氨基酸，每一個氨基酸通過碳原子與氮原子間的肽鍵（在圖2-3中以C與N之間的粗線表示）與下一個氨基酸相連。肽鍵僅僅是分子內能將原子結為一體的幾種化學鍵之一。它的本質是一對由碳氮原子共享的電子。這對由碳氮原子共享的帶有負電荷的電子會吸引肽鍵兩端帶有正電的原子核，因此，就像一種電力粘膠一樣將肽鍵兩端的原子結合在一起。這類化學鍵也被稱為共價鍵。 >> 肽鍵很穩(wěn)定，因為通過迫使共用電子對分離使肽鍵斷裂需要很高的“活化能” >> 膠原蛋白之類的蛋白質由氨基酸鏈組成，而氨基酸鏈又由碳（C）、氮（N）、氧（O）、氫（H）等原子組成，并通過肽鍵連接（見a）。圖中的肽鍵用粗線表示。肽鍵可以被一個水分子（H 2O）水化，從而使肽鍵斷裂（見c）。但在斷裂之前必須要先經過不穩(wěn)定的過渡態(tài)，此狀態(tài)至少包括兩種可以互相轉化的不同結構（見b）。 >> 實際上，在非酸非堿的中性溶液中，要讓一個蛋白質分子中一半的肽鍵斷裂所需的時間，也就是該反應的半衰期，要超過500年。 >> 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物的概率。 >> 酶在干什么？答案很顯然：酶在分子內或分子間操控著單個的原子、質子和電子。 >> 氧化反應的本質是電子由供體分子到受體分子的移動。以煤的燃燒為例，來自碳原子的高能電子轉移向氧原子，形成低能的化學鍵，從而產生了二氧化碳。剩余的能量以炭火熱量的形式釋放。 >> 如我們所見，對地球上的生命來說，量子隧穿效應可謂生死攸關，因為在太陽內部氫核聚變生成氦的反應中，它讓一對對帶正電的氫原子核得以融合，從而使太陽釋放出巨大的能量。 >> 然而，直到最近，人們還認為量子隧穿效應并不存在于任何生命過程中。 >> 粒子越輕，隧穿便越容易，這是量子力學的特性之一。 >> 除了促進電子轉移，膠原蛋白酶的關鍵活動還包括移動質子以促使膠原蛋白斷裂（見圖2-4）。之前已經提過，這類反應是酶操縱粒子最常見的手段。 >> 質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同核素互為同位素。 >> 最常見的氫的同位素是最輕的一種，由一個質子和一個電子構成，稱為氕（H）。氕是氫元素最廣泛的存在形式。但是，氫元素還有其他兩種更重也更稀有的同位素：氘（D）和氚（T）。氘核中有一個質子、一個中子，氚核中有一個質子、兩個中子。元素的化學性質主要由其核外電子數(shù)決定。 >> 動態(tài)同位素效應測量的是某種元素輕重不同的同位素在某化學反應中不同的敏感度，其定義為較重同位素的反應率與較輕同位素的反應率的比值。 >> 增加質量讓粒子的行為更像粒子而更不像“波”，同時更難穿透能量壁壘。 >> 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化，然后幾乎同時在空間中的另一點重新物質化。這一發(fā)現(xiàn)為我們探尋生命之謎提供了全新的視角。 >> 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。 ◆ 雙縫實驗，切中量子力學的內涵 >> 構成樹的主要元素是碳，這些碳元素從何而來呢？答案是空氣，樹中的碳元素來自空氣中的二氧化碳。古人看見樹木拔地而起，就理所當然地認為構成樹的物質來自于土壤。但是這個問題真正的答案是……樹來自于空氣……來自于二氧化碳，是樹木吸收了二氧化碳并且轉化了它，留下了碳，排出了氧。如今我們知道二氧化碳中的氧原子和碳原子結合得非常緊密……那么為什么樹木可以將兩者不費吹灰之力地分離？……陽光，氧原子在陽光的照射下與碳原子分離……留下的碳元素，加上水，就有了一棵參天大樹！——理查德·費曼 >> 量子計算機的計算能力和效率比當今絕大多數(shù)計算機要高得多（原因在于傳統(tǒng)計算機的運算依賴每個比特0或者1的電子邏輯，而量子計算機則可以同時處理0和1兩個邏輯，這種并行運算允許量子計算機一次性進行所有可能的運算）。 >> 波峰與波峰或者波谷與波谷相遇，波峰與波峰疊加成更高的波峰，而波谷與波谷則融合為更低的波谷，這就是相長干涉。波與波的融合形成了強度更高的光波，在光屏上表現(xiàn)為明亮的光帶。 >> 兩條縫隙的光以相反的相位相遇，波峰與波谷相互抵消，在光屏上表現(xiàn)為黑色的暗帶，也就是相消干涉。 >> 光屏其余點上相遇的兩道波介于完全的“同相”（in phase）和“反相”（out of phase）之間，所以第二塊光屏上出現(xiàn)的并非邊界清晰的明暗條帶，而是由明到暗的平滑漸變，以最高亮度和最低亮度作為間隔的標志，這就是我們所說的干涉條紋。 >> 雙縫實驗的一個關鍵要素是必須使用單色光（也就是單一波長的光）。 >> 我們必須借助波粒二象性來理解它們的行為：如果我們不清楚它們會從哪條縫隙中穿過，它們的運動將符合波的性質，而當我們對它們的運動進行觀察，它們的運動則符合粒子的性質。 >> 量子力學對雙縫實驗的解釋是，在一個給定的時間點，每一個原子在空間內所在的位置都必須由一系列概率來描述。 >> 當我們采取任何針對原子位置信息的檢測手段時，原子的波函數(shù)塌縮為一個唯一的可能性。 >> 物體的體積越大，復雜程度越高，它們的波動性就越弱。 >> 每一個經典的宏觀物體內都會發(fā)生退相干——雖然構成宏觀物體的原子和分子都具有量子性質，但是這些粒子時刻發(fā)生的熱振動以及周圍其他粒子的撞擊，使它們失去了相干性和波動性。 >> 如果我們把幾塊石頭投入一個平靜的池塘，要看清它們漣漪之間的交疊應該不算太難。但是如果把這些石頭投進尼亞加拉大瀑布，它們激起的任何干涉波紋都將瞬間被瀑布混亂的波濤掩蓋。量子系統(tǒng)周圍喧囂混亂的粒子運動正如同波濤洶涌的尼亞加拉大瀑布，瞬間就能抹除粒子的相干性。 >> 各種量子力學現(xiàn)象，比如波動性現(xiàn)象，同時具有多種狀態(tài)的疊加態(tài)、精心排列的量子系統(tǒng)等被稱為“量子相干性”；相對的，相干性喪失，量子現(xiàn)象變?yōu)榻浀洮F(xiàn)象的物理過程則被稱為“退相干”。 >> 二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO），它很可能是地球上含量最高的蛋白質，因為它的任務無比艱巨：合成世界上幾乎所有的有機質。這種酶把從二氧化碳里獲得的碳原子連接到一種名為二磷酸核酮糖（ribulose-1，5-bisphosphate）的五碳糖上而得到六碳糖。 >> 動物和植物都需要碳，植物可以利用空氣中的碳，而動物則需要從有機物中獲得，比如通過攝食植物。動物和植物也都需要電子來合成生物化學分子：動物通過“燃燒”有機質以獲得電子，而植物則利用光“燃燒”水來獲得電子。此外，兩者都需要能量：動物通過高能電子在呼吸鏈中傳遞釋放的勢能獲取能量；而植物則從太陽釋放的光子中捕獲能量。 ◆ 異常靈敏的嗅覺 >> 視覺或聽覺通過來自物體的電磁波或聲波間接獲取信息 >> 味覺和嗅覺則與之不同，它們通過直接接觸物體（分子）接收信息，截獲“來自物質實在”的信號。 >> 鼻子本身并不能聞到氣味，只能把空氣輸送至鼻腔后部的嗅覺上皮（見圖4-1）。人的嗅覺上皮大約只有3平方厘米 >> 布滿了分泌黏液的腺體和數(shù)百萬嗅覺神經元。嗅覺神經元之于嗅覺，就像視桿細胞與視錐細胞之于視覺。 >> 鼻腔中的上皮組織，而那里排列著約1 000萬嗅覺神經元。 >> 整個過程的關鍵步驟是嗅覺神經元捕獲氣味分子。 >> 嗅覺表位理論提出，嗅覺受體識別的是這些亞結構的形狀，而非整個分子。 >> 圖林提出了新的分子機制，盡管只是猜測性的解釋，但也言之有理。該機制指出，生物分子能夠通過電子的量子隧穿來探測化學鍵的振動。 >> 含硫氫基團的化合物通常有強烈的臭雞蛋味兒，而且它們都含有一條硫氫鍵，振動頻率約為76太赫茲（每秒76萬億次振動）。圖林用自己的理論明確預測：任何其他分子，無論形態(tài)如何，若含有以76太赫茲的頻率振動的化學鍵，應該也會有臭雞蛋的氣味。 >> 圖林檢索了大量光譜學文獻，只為發(fā)現(xiàn)一種具有相同振動頻率的分子。功夫不負有心人，他終于發(fā)現(xiàn)，硼烷類化合物中的硼氫鍵，其振動頻率中值約為78太赫茲，與硫氫鍵76太赫茲的振動頻率非常接近。 >> 后來證明，硼烷類化合物是目前已知唯一不含硫卻和硫化氫一樣有臭雞蛋味兒的分子——比如癸硼烷，僅由硼原子和氫原子構成，分子式為B 10H 14。 ◆ 帝王蝶的遷徙之謎 >> 與許多其他遷徙動物一樣，蝴蝶利用多種感官進行導航，例如視覺、嗅覺以及太陽羅盤。動物和植物體內的生化過程具有接近24小時的生物節(jié)律，這種與白天黑夜循環(huán)相對應的節(jié)律被稱為生物鐘。蝴蝶在白天的遷徙中可以根據(jù)生物鐘并參照太陽的位置來修正前進的方向。 >> 帝王蝶的太陽羅盤通過比較太陽高度和一天中的時間——兩者反映了帝王蝶所處的維度和經度——來辨別方向。 >> 昆蟲的觸角包含的感官本來就多得驚人，觸角具有嗅覺和聽覺，能夠感受氣壓甚至重力。 >> 作為鳥類王牌領航員的信鴿體內檢測到了磁石晶體，它們位于信鴿上喙中的神經元內， >> 由于電子處于量子世界，所以在沒有被觀察的時候，電子可以同時朝這兩個方向自旋。我們稱電子這種自旋狀態(tài)為自旋向上和自旋向下的疊加態(tài)。 >> 1998年，科學家在果蠅的眼睛里發(fā)現(xiàn)了隱花色素，這種物質最終被證實與光誘導的生物節(jié)律有關。重點在于，隱花色素是一類在光的激發(fā)下能夠產生自由基的蛋白分子。這一點被舒爾滕和合作者牢牢抓住，他們認為隱花色素就是鳥類化學指南針的光受體分子。 >> 磁感應產生的第一步是，位于隱花色素分子中心的光敏色素分子（FAD）首先吸收一個藍光光子。 >> 它在吸收光子的能量后激發(fā)自身分子內某個原子的電子，電子激發(fā)留下一個空的軌道?？粘龅碾娮榆壍罆邮諄碜訤AD分子內某個色氨酸殘基糾纏態(tài)電子對的其中一個電子。 >> 分離電子對中的兩個電子依舊保持糾纏態(tài)，而它們所組成的電子對則同時具有自旋單態(tài)和自旋三重態(tài)。自旋疊加態(tài)的電子對正是克勞斯·舒爾滕研究中對磁場極度敏感的化學反應體系。 ◆ 06 量子基因 >> DNA復制的錯誤率往往小于十億分之一，極高的復制精度，得以讓生命一代一代傳下去。 ◆ 遺失的世界 >> 配對DNA雙鏈間的弱結合順理成章地為基因復制提供了一種機理：雙鏈解旋分開成為兩條單鏈，每一條單鏈可以作為模板，分別在自身的基礎上形成互補的新鏈，使最初的一條雙鏈變?yōu)閮蓷l，完成復制。 >> 這正是細胞分裂時基因復制的過程。 ◆ 意識是什么 >> 我們假設，思維是對大腦中復雜信息的整合，以塑造對我們有意義的概念， >> 感官信息的整合形成了有意義的概念，而概念的整合則產生了意識。意識驅動大腦進行思維活動，思維活動繼而驅使身體發(fā)生物理運動。 >> 我們描述的完全是一種機械的因果關聯(lián)：感官信息的輸入決定運動信息的輸出，其中某些信息還要經過大腦內的記憶中心。 >> 大多數(shù)神經生物學家都青睞于一元論：他們認為心智與肉體實際上是同一種東西。比如，神經科學家馬塞爾·金斯波蘭尼（Macel Kinsbourne）認為，“意識是一種具有交互式功能的特殊神經電路”。 >> 量子計算機的運算能力以指數(shù)級的方式隨著量子位數(shù)目的增加而增長。 >> 即使與環(huán)境發(fā)生極其微弱的相互作用，量子位之間的相干性也會受到嚴重影響：量子位之間的量子連接被切斷、糾纏態(tài)喪失，量子位的運動變?yōu)閭鹘y(tǒng)的比特位。 >> 哥德爾的第一不完全性定理指出，在每一個邏輯體系中，比如自然語言和數(shù)學中，都存在該邏輯體系自身無法證明真?zhèn)蔚拿}。 >> 下面要說的這一點很重要：哥德爾的定理并不意味某些命題無法被證明，而是強調能夠證明這些命題的邏輯存在于產生它們的邏輯體系之外。 >> 彭羅斯與亞利桑那大學的麻醉學與心理學教授斯圖爾特·哈梅羅夫（Stuart Hameroff）[插圖]合作，兩人宣稱神經元里一種叫微管（microtubules）的結構相當于量子計算機的量子位。 >> 微管是由微管蛋白組成的鏈狀結構。哈梅羅夫和彭羅斯提出這種微管蛋白——組成微管的蛋白珠——至少可以在伸展和收縮這兩種形狀之間進行轉換。最重要的是作為量子物體，微管蛋白可以同時具有伸張或者收縮的狀態(tài)，這一點讓它類似于量子位。 >> 最新的研究暗示，量子力學可能的確參與了意識的過程。 >> 神經元細胞膜上的離子通道，是大腦中存在量子力學現(xiàn)象的可能位置。 >> 離子通道只有大約10-9米（大約1.2納米）長，而寬度不到長度的一半，所以離子只能一個一個通過。盡管如此，離子穿過通道的速度非?？?，達到了大約每秒1億個。除了速度快之外，離子通道還具有選擇性 >> ，鉀離子通道中每穿過1萬個鉀離子，才有可能錯漏過一個鈉離子。 >> 高效的離子轉運速度以及超凡的離子選擇能力，讓離子通道成為動作電位快速傳播的保證，動作電位快速傳播得以在大腦形成我們迅捷的思維。 >> 2012年，薩爾茨堡大學的神經科學家古斯塔夫·波洛伊德（Gustav Bernroider）與維也納科技大學原子研究所的約翰·薩姆哈默（Johann Summhammer）合作完成一個量子力學模擬實驗 >> 研究團隊最后總結認為，量子相干性在神經離子通道傳導離子的過程中“不可或缺”，換句話說，量子相干性是思維的必要條件。 ◆ 08 生命的起源 >> 弗雷德·霍伊爾說過，隨機化學過程創(chuàng)造出生命的概率，就像龍卷風吹過垃圾場，然后純屬意外地造出了一架大型客機。他的話生動形象地說明，我們今天所知的細胞生命體太過復雜有序，不可能起源于純粹的偶然，在此之前一定有更簡單的自復制體。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。 ◆ 米勒-尤里實驗 >> 通常認為，宇宙的起源、生命的起源和意識的起源是科學中的三大謎題。 >> 量子力學與第一個問題緊密相關，我們也已經討論過它與第三個問題之間可能存在的聯(lián)系。我們很快會發(fā)現(xiàn)，量子力學對解釋第二個問題可能也會有幫助。 >> “奧巴林-霍爾丹假說”（Oparin-Haldane hypothesis）。他們兩人都認為，在早期的地球上，大氣中富含氫氣、甲烷和水蒸氣，這些物質在暴露于閃電、太陽輻射或火山引起的高熱后，會結合形成簡單有機物的混合物。他們提出，這些有機物隨后會在原始海洋中積累，形成溫熱、稀釋的有機漿湯。這些有機物在湯中沖刷了幾百萬年，或許還曾流經伊蘇的泥火山，最終在各種機緣巧合下形成一種新的分子。該分子具有一種非凡的性質：進行自我復制的能力。 >> 霍爾丹和奧巴林提出，就我們目前所知，原始復制體（primordial replicator）的出現(xiàn)是生命起源的關鍵事件。 >> 為了再現(xiàn)早期地球上生命初生時的條件，米勒在模擬原始大氣時，只是簡單地加了一瓶水來模擬原始海洋，并在裝置中加入了一些可能出現(xiàn)在原始大氣中的氣體：甲烷、氫氣、氨氣和水蒸氣。隨后，他又通過周期性地釋放電火花來模擬電閃雷鳴。在電擊“原始大氣”僅僅一周之后，米勒就在裝置瓶中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量顯著的氨基酸——蛋白質的基本構成單位。 >> 基因不僅可以通過DNA進行編碼，還可以通過RNA進行編碼。 >> 原始的化學合成過程制造出了同時具有基因和酶的功能的RNA分子，最初的復制過程產生出許多變異體，這些不同的變異體互相競爭，在分子層面展開優(yōu)勝劣汰。隨著時間的推移，這些RNA復制體上添加了蛋白質來提供復制的效率，并由此產生了DNA和第一個活細胞。 >> 在DNA和細胞出現(xiàn)以前，世界屬于自復制RNA分子——這個想法幾乎已經成為研究生命起源的基本信條。 >> RNA分子由三個部分組成：編碼遺傳信息的RNA堿基（與編碼DNA遺傳信息的DNA堿基類似）、一個磷酸基團和一個叫作核糖的單糖。 ◆ 量子生物學的新發(fā)現(xiàn) >> 物理學的世界可以被分為三個層次（見圖C-1）。表面的第一層是宏觀世界，這個世界里的日常物體，比如足球、火車和植物等，它們的行為遵循牛頓運動力學法則，我們可以用速度、加速度、動量和力等熟悉的概念來描述它們。在此之下，是描述液體、氣體行為的熱力學世界。在這一層里牛頓的經典法則依舊適用，但是我們在第1章里說過，薛定諤指出，這種適用性是基于對萬億個各自進行無序運動粒子的統(tǒng)計學處理，是“來自無序的有序”。熱力學法則旨在描述類似氣體受熱如何膨脹、蒸汽如何做功驅動火車這樣的現(xiàn)象。最深的第三層，也就是物理學的基石：量子世界。在這個維度里，原子、分子以及組成它們的所有成分粒子都遵循精確而有序的量子規(guī)則，經典力學的影響已經鞭長莫及。 >> 我們已經看到生命現(xiàn)象里有諸多的例外：生命的根須穿透牛頓力學的土壤，貫穿渾濁的熱力學地下河，深深植根于量子力學的地底巖層內。宏觀的生物體內仍然存在量子相干性、疊加態(tài)、隧穿和糾纏態(tài)現(xiàn)象。 >> 科學家對量子力學如何參與生命過程依然疑惑重重，其中最主要的困惑是，生物體如何能夠在溫暖、潮濕的細胞內保持粒子的相干性。 >> 光合作用的第一步始于葉綠素分子捕獲光子并將其能量保留在震蕩的激子中，光子的能量以激子的形式橫掃過整片的葉綠素之林，最終到達反應中心。 >> 光合作用反應中心里有兩種特殊的分子噪音，它們不僅不會破壞相干性，反而有助于維持反應粒子的相干性。 >> 第一種噪音的強度相對較弱，某些地方把它稱為“白噪音”（white noise） >> 白噪音是周圍環(huán)境中粒子熱力學振動的結果，在活細胞里，這些“環(huán)境中的粒子”包括了水分子和金屬離子等。而第二種噪音有時被稱為“有色噪音”（coloured noise），這種噪音更“響”而且僅限于特定范圍的波段，就像彩色（可見）光只代表整個電磁波譜上極其狹窄的一段頻率范圍。 >> 在光合作用復合體中，活細胞內嘈雜的分子環(huán)境可能在其他生物系統(tǒng)中也同樣有助于量子運動以及相干性維持，而不是破壞量子相干性。 >> 自然選擇傾向于將量子系統(tǒng)具有的相干性調整到“正好”能獲得最大效率的水平。 >> 卡諾循環(huán)解釋了熱機如何在冷卻過程中利用釋放的一部分熱量做有用功的原理。具體地說，蒸汽機把水蒸氣從鍋爐轉移到冷凝器，在冷凝器內水蒸氣放熱，蒸汽機將水蒸氣放熱過程中釋放的一部分熱能轉化，用作水蒸氣推動氣缸活塞運動的機械能，活塞運動推動火車頭的車輪轉動。冷凝的水被送回鍋爐，準備再次被加熱成為水蒸氣，執(zhí)行新一輪的卡諾循環(huán)。 >> 量子熱機的主要問題是，躍遷電子具有的能量會以熱能的形式迅速耗散，嚴重限制了這種量子熱機的能量轉化效率。 >> 當碳在空氣中燃燒時，碳原子外層軌道的電子成為它與氧氣中的氧原子共用的電子對，共用電子對也就是二氧化碳中的碳氧鍵。由于碳的外層電子結合相對來說非常疏松，所以在燃燒反應中，這些電子容易被其他原子共享。然而在植物和微生物光合作用的反應中心，激子的能量被用于將水分子中的電子剝脫出來，要知道水分子中電子結合的牢固程度遠遠超過了碳原子的外層電子。一般來說，在反應中心，一對水分子會被分解為一個氧分子、四個帶正電的氫離子和四個電子。也就是說，水分子在反應中失去了電子，因此，反應中心是我們在自然界已知的、唯一一個能夠“氧化”水的地方。 >> 分子噪音與量子相干性之間微妙的協(xié)作，減少了量子熱機的熱能耗散，讓它的能量效率可以超越卡諾極限。 >> 酶是生命的引擎，這個星球上每一個活細胞中的每一個分子都是由酶催化合成的。有益的震蕩可能對維持我們的生命至關重要。 >> 正如20世紀30年代帕斯夸爾·約爾旦預測的，生命的動力學系統(tǒng)經過了精巧的設置與平衡，量子水平的變化能夠對宏觀世界的事件造成影響。量子范疇內發(fā)生的變化引起宏觀世界的效應是生命獨有的特征，正是生命宏觀現(xiàn)象對量子世界的敏感性，讓諸如隧穿、相干性和糾纏態(tài)等量子現(xiàn)象造就了宏觀的我們。 >> 生命就像一艘船，狹窄的龍骨植根于量子巖層，因此它可以利用量子現(xiàn)象，比如量子隧穿或者量子糾纏維持自身的存在。在這種情況下，熱力學風暴（也就是分子噪音）有助于活細胞維持與量子世界的聯(lián)系，而不是破壞它的量子相干性。圖C-2 生命航行在經典與量子世界交界的邊緣上 >> 生命就像一臺復雜的分子機器。生命有序性的自我維持需要依靠酶、色素、DNA、RNA和其他生化分子的協(xié)同合作，而這些生化分子的性質則多數(shù)建立在諸如隧穿、相干性和糾纏態(tài)等量子現(xiàn)象上。 >> 死亡可能意味著生命喪失了有序的量子力學性質，生命之舟在海上徒勞地抵抗著熱力學的風暴。圖C-3 生命的死亡 >> 沒有了這種聯(lián)系，量子相干性、糾纏態(tài)、隧穿以及疊加態(tài)都無法再對細胞的宏觀行為施加影響，與量子世界失聯(lián)的細胞將沉入熱力學海洋動蕩的洋流里，最終變成徹頭徹尾的經典物體。 >> 我們的身體可以通過不斷地更新、替換和修復損傷或破舊的組織維持自我穩(wěn)定。我們一生都可以維持身體的自我可持續(xù)性。 |
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