神秘的量子生命－量子生物学时代的到来

中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物学的澎湃 引言 没有量子力学，就不会有生命 在整个科学领域，量子力学是*具影响力的重要理论。没有量子力学，我们就无法解释世界是如何运转的，比如：知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的？小丑鱼是如何找到回家之路的？光合作用中能量的传递效率为什么那么高？对所有这些问题的解答，都离不开量子力学，离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。 动物大迁徙 万物背后的量子真相 知更鸟是如何感知方向的 形形色色的量子现象 **部分 生命科学的前世今生 01 生命是什么 在很长一段时间里，人们认为生命体与非生命体的主要区别在于生命体内有一种特殊的“生命力”。后来，活力论渐渐让位于机械论。但是，生命中仍有许许多多的待解之谜。尽管克雷格·文特尔成就非凡，他仍不能从零开始创造出生命，而*低级的微生物却可以毫不费力地创造生命。薛定谔认为，生命是量子的，生命的秩序属于“来自有序的有序”。 神奇的生命 活力论 机械论 生命科学新发现 量子力学，物理学的一场革命 量子生物学的兴起 来自有序的有序 生命是量子的 02 酶是生命的引擎 酶是生命的引擎。所有的生命都依赖酶。我们体内的每一个细胞中都填充着数百甚至数千个这样 的分子机器，无时无刻不在“帮助”细胞组装和回收利用生物分子，使之持续不停地运转下去。 这个过程，就是我们所说的“活着”。 生死有关的酶 蝌蚪的尾巴哪去了 一场精心编排的分子舞蹈 呼吸酶与呼吸作用 量子思维，认识酶的关键 来自量子世界的魔法 第二部分 量子世界中的生命 03 光合作用中的量子节拍 光合作用中能量从光子到反应中心的传递效率算得上是*高的，因为传递效率几乎是100%。在 理想情况下，几乎所有叶绿素分子吸收的能量都可以到达反应中心。如果能量不是取道*短进行传递，大部分乃至全部能量都会在传递中殆尽。 光合作用的能量为何能如此擅长寻找捷径，一直以来都是生物学领域的一大谜题。 双缝实验，切中量子力学的内涵 脆弱的量子相干性 神奇的叶绿素 光合作用中的量子计算机 04 小丑鱼“闻出”回家之路 气味分子或溶解在唾液中，或飘散在空气中，被位于舌头或鼻腔顶部嗅觉上皮的感受器截获，嗅 觉就此产生。“锁钥模型”认为，气味分子嵌入嗅觉感受器就如同钥匙插进了钥匙孔。气味与分 子振动频率紧密相关，臭鸡蛋的味道是78太赫! 对于振动频率相同而气味却大不相同的个别现 象，“刷卡模型”给出了完美解释。量子力学中的非弹性电子隧穿，是嗅觉产生的关键。 异常灵敏的嗅觉 我们是如何闻出味道的 形状模型，一把钥匙开一把锁 振动模型，臭鸡蛋味儿的分子振动频率是78太赫兹 鼻子之争 刷卡模型，嗅觉的量子计算 05 帝王蝶与知更鸟的地磁方向感 加拿大和墨西哥之间的帝王蝶以及北欧和北非之间的知更鸟，它们的迁徙究竟是依靠什么导航的呢？研究发现，触角中的隐花色素校准了体内的生物钟，让帝王蝶在从加拿大飞往墨西哥的路上不会迷路。知更鸟的地磁感受器是一种磁倾角罗盘，能通过化学反应感受微弱的地磁。自旋单和三重态之间微妙的平衡性，让鸟类可以利用地磁实现导航。 帝王蝶蝶迁徙之谜 知更鸟的指南针 量子自旋与幽灵般的超距作用 自由基和方向感 06 量子基因 DNA复制的错误率往往小于十亿分之一，极高的复制精度，得以让生命一代一代传下去。但是， 如果遗传密码的复制过程一直完美无缺，生命便不可能进化，也不能应对种种挑战。复制过程的 少许错误，能让子代更好地适应环境并繁盛起来。 基因非常小，一定会受到量子规则的影响。但量子力学是否在基因突变中扮演了重要而直接的角色，还是一个待解之谜。 遗失的世界 遗传，高精度的复制 突变，美丽的错误 基因编码 基因突变是量子跃迁吗 07 心智之谜 关于心智、意识究竟是如何工作的，目前被广泛接受的理论是心智计算理论。如果一台量子计算 机能够维持300个量子位的相干性和纠缠态，它的计算能力几乎相当于一台整个宇宙那么大的 经典计算机！2011年，我国科学家仅用4个以原子自旋状态作为编码的量子位就成功对143 （13×11）完成了因数分解，居于世界领先水平。 意识是什么 思想是如何产生的 人脑就是量子计算机 微管理论 离子通道 08 生命的起源 弗雷德·霍伊尔说过，随机化学过程创造出生命的概率，就像龙卷风吹过垃圾场，然后纯属意外地造出了一架大型客机。他的话生动形象地说明，我们今天所知的细胞生命体太过复杂有序，不可能起源于纯粹的偶然，在此之前一定有更简单的 自复制体。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。 米勒-尤里实验 生命不是偶然的 RNA世界假说 没有量子力学，就不会有生命 量子相干性，生命起源中的重要角色 结语 我们一定能创造出遵循量子理论的新生命 人造生命一定要遵循量子理论，因为没有量子力学，就不会有生命。费曼说过:“凡是我做不出来的，就是我还不理解的。”如果有一天，人造生命真的成为现实，那将意味着我们终于理解了 生命的本质。我们将会看到:生命正驾驭着混沌之力，在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上， 乘风前行！ 量子生物学的新发现 寻找生命的原动力 风暴边缘上的生命 量子生物学的力量 从头开始制造生命 理解生命，创造生命 后记：量子生命 译者后记