讀書筆記：神秘的量子生命

　　吉姆·艾爾·哈利的量子生物學(xué)的科普作品。寫得很不錯，能激發(fā)很多思考。當(dāng)然，書名翻譯得比較低檔，其實(shí)原文是量子力學(xué)解讀生命原理。

　　之前看薛定諤《生命是什么》時，并沒有想到這個開創(chuàng)性的想法，可能因?yàn)楫?dāng)時看理論物理學(xué)的東西比較多，反而沒有注意到其應(yīng)用到生物學(xué)中的意義。

　　關(guān)于物理世界的層級問題，這個倒是很早以前就知道，如第一層級為牛頓力學(xué)，第二層級為熱力學(xué)，第三層級就是量子力學(xué)。前兩者都是大數(shù)量粒子總和的平均行為，即以兆計的粒子構(gòu)成的物質(zhì)，從整體上可以表現(xiàn)為普通物理學(xué)規(guī)律規(guī)定下的行為。但隨著粒子數(shù)量減少，粒子行為的確定性就越來越小，這種行為概率，與粒子數(shù)量的平方根呈反比。隨著確定性越來越小，所謂進(jìn)入到微觀粒子世界，物理規(guī)律就只能用量子力學(xué)，嚴(yán)格來說，就是薛定諤的波動力學(xué)方程和海森堡的概率矩陣來解釋和預(yù)測了。

　　之所以可以用量子力學(xué)來解釋生命問題，在于承載整個生命意義的物質(zhì)只是很小的一個部分——基因，構(gòu)成基因的分子原子數(shù)量是在1000萬級以下的，在這個數(shù)量層面上，粒子的行為已經(jīng)完全是概率級的了。

　　但這本書中提到的，薛定諤曾經(jīng)指出的一個洞見，為什么這個1000萬級以下的極少數(shù)分子及原子的行為，居然可以被放大到常規(guī)物理世界上去，構(gòu)成整個生命界，使得特定礦物質(zhì)的組合可以自行維持生存，并通過復(fù)制得以續(xù)存?如果說生命是個奇跡，那么這個奇跡在理論物理學(xué)上來講，就是它是如何實(shí)現(xiàn)層面混淆的?即第三層級的量子力學(xué)世界，如何會干預(yù)到第一層級的牛頓力學(xué)世界?

　　其原因和機(jī)理還沒有辦法揭示，不過，生命的性質(zhì)和意義都?xì)w結(jié)于基因這個事實(shí)，倒是說明，生命延續(xù)的核心，被原子層面的微觀粒子行為所決定，而目前能較好描述微觀粒子行為的，只有量子力學(xué)。

　　所有生命活動，都取決于構(gòu)成細(xì)胞的分子和原子層面的粒子交換，比如說光合作用，生物電，這兩者分別決定了植物的核心活動和動物的核心活動，然而至今生物學(xué)和醫(yī)學(xué)都無法揭示出這兩個活動的本質(zhì)。

　　光合作用涉及到葉綠素分子對光子的捕捉，以及光子捕捉之后以質(zhì)子交換作用改變二氧化碳的結(jié)構(gòu)，使碳氧化學(xué)鍵被分離解構(gòu)，把碳變成糖，釋放氧分子。這個過程中，電子、質(zhì)子是如何突破能量壁壘實(shí)現(xiàn)交換的，經(jīng)典物理學(xué)無法解釋——只能說是從光獲取能量，將二氧化碳實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，而無法再細(xì)說光的能量是如何作用的。正因?yàn)槎�氧化碳的變化，到微觀粒子本質(zhì)，就是粒子位置的變化，這個位置的變化，涉及能量的吸收和輻射——每個電子都有特定的能級，不能自動超越。

　　作者于是給出了基于量子力學(xué)的“量子隧穿”效應(yīng)解釋，這個效應(yīng)在微觀粒子層面是存在，并且被動態(tài)同位素檢驗(yàn)法所驗(yàn)證過的。即電子或質(zhì)子，可以通過隧穿效應(yīng)，在較低的能級實(shí)現(xiàn)位移，穿透本來的能量壁壘，俗話說就是從A到B，無須經(jīng)過A和B之間的路徑，直接從A處消失，出現(xiàn)在B處。這種方式就是通過德布羅意的物質(zhì)波的方式繞過壁壘，記得電子也可能是一種波嗎?光子給予葉綠素分子的能量，實(shí)際上更類似一種催化劑，降低了二氧化碳分子和原子中的能量壁壘，使得相關(guān)的質(zhì)子和電子可以通過隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)移動，改變電位從而改變結(jié)構(gòu)。

　　生物電也是同樣道理。作者解釋生物電位的方法，是從解讀生物酶的作用開始。

　　酶是一切動物體內(nèi)生命活動的關(guān)鍵，它決定各類生化反應(yīng)以怎樣的速度進(jìn)行(記住，速度是關(guān)鍵)。比如我們的腸胃對蛋白質(zhì)的消化作用，如果放在自然界，蛋白質(zhì)要分解成各種糖類，可能需要幾十年甚至上百年，但在消化酶的作用下，可以在一個小時內(nèi)就完成。那么酶是怎樣工作的?深入到分子和原子層面，麻煩就來了，消化作用，或者說是自體消融作用——如蝌蚪如何將尾巴消融掉，本質(zhì)上和光合作用一樣，也是獲取能量實(shí)現(xiàn)對原有結(jié)構(gòu)的解構(gòu)，把原本穩(wěn)固的化學(xué)鍵打破，形成新的搭配。這種化學(xué)鍵的核心無非就是電子、質(zhì)子的相互吸引關(guān)系。生物電位是通過電子的交換移動實(shí)現(xiàn)的，但相對于電子和質(zhì)子的大小，動物肢體的分子間隙實(shí)在是太大了，受到能量壁壘的影響，電子和質(zhì)子幾乎是沒有實(shí)現(xiàn)分子間移動的可能——誰把它推出去，誰又把它吸收呢?作者認(rèn)為，非“量子隧穿”不能解釋這個過程。分子之間的電子和質(zhì)子，本來都處于穩(wěn)定位態(tài)，由于酶的作用，降低了能量壁壘，使得電子和質(zhì)子可以在分子間實(shí)現(xiàn)隧穿，電子的移動形成了電位差，電位差則產(chǎn)生了分子間的生物電，進(jìn)而一個個分子傳遞下去。這個所謂的產(chǎn)生和傳遞，實(shí)際上都是量子力學(xué)的作用。

　　作者還進(jìn)一步解釋了基因的雙螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)制過程，同樣也涉及到堿基鏈條如何斷裂，如何生成新的配對的問題，這些生物現(xiàn)象到了微觀層面，都表現(xiàn)為粒子位置的變化。由于基因復(fù)制過程的復(fù)雜，又引入了“量子糾纏”概念。量子糾纏是量子力學(xué)里最難以讓人理解，也最遭受非難的一個地方，即一對反向自旋的粒子，在被分隔開后，能夠以超越光速的速度“傳遞信息”，一個粒子被觀測為上旋后，另一個粒子立刻就被確定為下旋。

　　這里需要進(jìn)一步解釋，可能有人會說，一雙手套，分隔開來，我只要看到一個手套是左手的，也可以不用看就知道另一個手套是右手的。這是在宏觀世界，看到的既定事實(shí)。在微觀粒子世界，一個粒子在被觀測到之前，是什么狀態(tài)，只有概率因素，是沒有準(zhǔn)確唯一狀態(tài)的，也就是說，粒子的狀態(tài)只有在被觀測的那一瞬被決定。這一現(xiàn)象，已經(jīng)被諸多實(shí)驗(yàn)證明了，哪怕沒有觀測者，只要有觀測設(shè)備，原子、電子和質(zhì)子的行為狀態(tài)就會被干擾，在量子力學(xué)中叫“退相干”，即原有的各種狀態(tài)可能性疊加狀態(tài)，被干擾后，被確定為唯一的一個狀態(tài)。

　　作者用這種“糾纏”狀態(tài)，來解釋基因如何發(fā)生突變。其實(shí)，達(dá)爾文學(xué)說，以及孟德爾學(xué)說，都有一個不滿意的地方就是突變是如何產(chǎn)生的。按照既定的遺傳學(xué)說，突變的概率是一樣的，即突變時刻都在發(fā)生，是自然選擇的作用，選擇了哪些突變能夠存續(xù)下來。而實(shí)際的情況卻是，往往環(huán)境的改變，很快就會促成一個種群的基因改變，這個時間并不需要多長，也就是說，突變的概率可能是不一樣的。尤其是一些果蠅、細(xì)菌的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明了應(yīng)對環(huán)境變化的突變可以加速。

　　傳統(tǒng)的遺傳學(xué)說無法解釋這種現(xiàn)象。作者認(rèn)為，“量子糾纏”可以解釋這種情況——劇烈改變的環(huán)境，實(shí)際上就充當(dāng)了一個“觀測者”的作用，這個觀測者，以最快的速度推動了構(gòu)成基因的原子特定狀態(tài)的“退相干”實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)然，這些學(xué)說還只是一些理論設(shè)想，只有一些支離破碎的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜷g接證明。

　　試圖用量子理論解釋的，還有鳥類和魚類具有的方向定位能力。至今也沒有確定的解釋，究竟鴿子是如何定向飛行的，而鮭魚又是憑什么洄游的。公認(rèn)的當(dāng)然有地球磁場的作用，而實(shí)際上，地磁的強(qiáng)度很小，幾乎是很難從物理學(xué)意義上起到刺激神經(jīng)反應(yīng)的作用。作者從量子力學(xué)角度解釋了磁場對于微觀粒子的作用——并非通過磁場強(qiáng)度，而是磁場變化頻率——即磁場波動來影響，這種波動可以改變原子的疊加狀態(tài)，從雜亂無章的自旋，變?yōu)檎�體一致的自旋——類似核磁共振成像的原理。在鳥類那里，這種微觀粒子的作用可能存在于其眼中——鳥類可能可以看到所謂的磁力線方向。

　　從這里我才意識到，萬有引力與地球磁場可是完全不同的兩碼事。地球磁場的起因其實(shí)到現(xiàn)在也沒有搞清楚，一般認(rèn)為是地核內(nèi)部的熔巖流動，帶動其中的金屬成分運(yùn)動，產(chǎn)生了電流，從而電流再交替產(chǎn)生磁場。

　　比較吸引我的，還有一個書中的題外話，在南極洲的極寒點(diǎn)(非南極點(diǎn))和平站，各國科學(xué)家們成年累月地開展一項(xiàng)鉆探活動。因?yàn)椴煌�深度的冰層，揭示了不同年代的氣候特征和地質(zhì)活動。在和平站鉆探到冰蓋下約4千米深度時，發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的東西，這個東西后來也為衛(wèi)星遙感所證實(shí)——在和平站下面4千米深度，冰封著一個液態(tài)的湖泊，這個湖泊面積約十多平方公里，平均深度大約有500余米。這個湖泊是40余萬年前的湖泊，根據(jù)壓力和地?zé)岬墓烙嫞�湖泊依然保持著正常液態(tài)。由此引發(fā)了一個問題，這個與世隔絕的湖水中，會有什么樣的生命?

　　科研人員后來繼續(xù)鉆探，為了避免外部生物諸如細(xì)菌這類的，會隨鉆頭一同進(jìn)入湖泊，鉆探到湖泊頂端一百余米時停止，取上去冰樣。根據(jù)大家推斷，這個層面的冰應(yīng)該已經(jīng)不是冰蓋的組成部分，而是湖泊水的結(jié)冰物了。通過對結(jié)冰物的分析，其中有不少湖泊中生物的DNA，發(fā)現(xiàn)這些生物與深海溝和深海火山口生物的DNA有類似處，也就是說，至少湖泊中有這些極端環(huán)境中的生物。

　　類似的，后來在木衛(wèi)二上也發(fā)現(xiàn)了冰層下的湖泊或者海洋�？赡�?

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