《神秘的量子生命》读书笔记

作者：Johnjoe McFadden & Jim Al-Khalili
译者：侯新智 祝锦杰
出版社：浙江人民出版社
版本：2016年8月出版
来源：下载的 mobi 版本

书的原名是《Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology》，按照字面的意思是《生命在边缘：量子生物学的时代的到来》，内容围绕生命科学中的量子物理维度展开科普，Johnjoe McFadden 是一位生物学教授和作家，Jim Al-Khalili 是一位核物理学家和量子物理教授，Jim Al-Khalili 为 BBC 制作了一系列的科普作品，其中就包含和本书相关的内容，算是量子科学相关科普作品中的上乘之作：
http://www.bilibili.com/video/av2418161/ （围绕量子物理历史）
http://www.bilibili.com/video/av2475093/ （围绕量子生物学）

阅读到这本书，有一个原因是刚好和阅读的上一本《生命的未来》结集在一起下载的电子版；另一个原因是出版时间比较新，豆瓣评分也不错；还有一个原因是想了解一下，结合了量子物理和生物学两个学科的量子生物学，究竟是个什么鬼呢？通读下来，确实是非常值得的。

先看一个图，了解一下什么是量子物理，它的位置在哪里：

物理学的三个层次

乍一看量子物理的世界离生命科学的化学分子世界非常遥远，而人的生命形态更是因为退相干的缘故，怎么会与量子世界产生或多或少的联系呢？（下面的内容未必是正确的，都源自书中的实验论证或者推论，论证过程和推论过程各种论文各种实验，请直接翻书）

• 嗅觉：嗅觉是极其灵敏的，过去认为是源自分子结构触发介质，然后通过神经将介质中的电子传递到大脑， 但是最新的研究认为，嗅觉是源自于量子隧穿和不同分子的震动频率这一量子行为
• 动物的磁感性：许多动物具有磁感应能力，过去是认为源自一种称为隐花色素的磁敏蛋白，但是相关的机理一直缺乏研究，最新的研究认为量子隧穿和量子纠缠都在其间起到了一定的作用
• 光合作用：在叶绿素获取到了光子以后，为何能量传导效率如此之高，是因为电子能够迅速的找到分子中准确的能量出口（电子之小，叶绿素之大），而不会有能量的损失，这只能通过叠加态的量子理论才能解释
• 基因突变：基因突变的原因是因为在DNA复制的时候，出现量子隧穿现象，从而产生了错误的复制而产生的
• 催化剂：主要指有机生物化学反应中的催化行为，比如DNA复制过程中的断键成键过程效率之高，只能通过量子隧穿才能解释

量子力学是这个世界的基础，那里面充斥着各种奇奇怪怪的专业名词：量子隧穿、量子纠缠、叠加态、退相干等等，一个无比令人陌生的世界，这些围绕嗅觉、动物磁感性、光合作用、基因突变、生物催化等领域的量子物理解释，都在随着量子物理、生物学本身的发展，更加高速的变化和发展着，看着蛮有意思的，也多了一层对生命、意识、直觉方面的深层理解

知识点：

核磁共振：

利用人体不同组织的氢核含量不同，使用磁性进行量子扫描，得到的信号有高低差别，可以理解为“信号密度”成像以区分不同的组织器官。

量子（quantum）：

发热体表面的物质在以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射，而且这些能量团不可以再分，被称为“量子”。

量子纠缠（quantum entanglement）：

指曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎幽灵般的联系。

电子隧穿（正常要爬山过去的，现在通过隧道就很快过去了）：

1974年，霍普菲尔德发表了题为《生物分子间的电子转移与热能激活的隧穿效应》（Electron Transfer Between Biological Molecules by Thermally Activated Tunneling）的论文，在文中，他建立了一套理论模型来解释德沃尔特和钱百敦的实验结果。霍普菲尔德指出，高温下分子振动的能量即使不用隧穿也足以使其翻越能量壁垒。随着温度降低，分子振动的能量便不再能够支持酶促反应发生。但是，德沃尔特和钱百敦在实验中发现，低温下，反应照样进行。霍普菲尔德认为，较低温度下的电子相当于处在了能量壁垒的半山腰，虽然仍不足以翻越能量壁垒，但相比于山脚下的位置，此处缩短了距壁垒另一端的横向距离，提高了通过量子隧穿跨越壁垒的可能性。他的解释是正确的：正如德沃尔特和钱百敦发现的那样，以隧穿为媒介的电子转移即使在非常低的温度下也能发生。

退相干：

虽然构成宏观物体的原子和分子都具有量子性质，但是这些粒子时刻发生的热振动以及周围其他粒子的撞击，使它们失去了相干性和波动性。

正是这种现象快速地抵消掉了宏观非生命物体奇特的量子效应。

摘录：

几个世纪以来，这些动物如何在环球迁徙中找到自己的方向一直是一个谜。现在我们知道，它们各有神通：有些动物会在日间利用太阳、在夜间利用恒星的相对位置来导航；有些动物会记忆地标；有些动物甚至能闻到它们在这个星球上该走的路。但导航能力最不可思议的要数知更鸟：它们能感知到地球磁场的方向与强度。这种能力被称为磁感应（magnetoreception）。虽然现在我们知道有一些其他生物也拥有这项能力，但我们最感兴趣的还是知更鸟在跨越大半个地球的旅程中是如何找到自己的方向的。
让知更鸟知道该飞多远、朝哪个方向飞的机理，其实已经编码在它们从父母那里继承来的基因之中了。这是一种复杂而又不同寻常的能力，让它能依靠这种第六感来确定自己的航向。像许多其他的鸟类一样（甚至还包括一些昆虫和海洋生物），知更鸟拥有感知地球微弱磁场的能力，并能依靠内在的导航直觉，从地磁场中得出方向性的信息。就知更鸟而言，它的导航直觉需要一种新式的化学罗盘作为指引。
磁感应真是个谜题。问题的关键在于地球的磁场非常微弱。地表的磁场在30～70微特斯拉之间，这一数值虽然足以使一个处于微妙平衡中且几乎没有阻力的罗盘指针偏转，但它只有一个普通冰箱贴磁力的1%。这就出现了使人困惑的谜题：动物要想感知到地磁场，其体内某处的一个化学反应必然在某种程度上要受到地磁场的影响——这是包括我们在内的所有生物感知外界信号的方式。但是，地磁场与活体细胞内的分子相互作用所产生的能量还不及使一个化学键形成或断裂所需能量的1/100000000。那么，知更鸟究竟是如何感知到地磁场的呢？
上面所有这些量子世界的奇异现象与知更鸟依靠自身导航跨越半球的航行有什么关系呢？对了，你应该还记得维尔奇科夫妇在20世纪70年代早期的研究：知更鸟的地磁觉与磁倾角罗盘的工作原理相同。这让人极其迷惑，因为那个时候，没有任何人对生物磁倾角罗盘的工作原理有头绪。
然而，大约在同一时期，一位叫克劳斯·舒尔滕（Klaus Schulten）的德国科学家对自由基（free radical）相关的化学反应中电子的转移方式产生了兴趣。他发现，大多数电子在原子轨道中成对出现，而分子的外层轨道却有孤电子存在。联系到奇怪的量子自旋性质，这个发现就显得重要起来。因为，配对的电子向相反的方向自旋，它们的合自旋也就抵消为零。但是，如果没有配对电子可以抵消自旋，自由基中的孤电子就会产生净自旋，并拥有磁性：在磁场中就可以统一排列它们的自旋。
舒尔滕提出，在高速三重态反应（fast triplet reaction）中会产生成对的自由基，而自由基中对应的成对孤电子会处于“量子纠缠”（quantum entanglement）的状态。由于某些难以理解的原因（后文会介绍），被分开的两个电子处于微妙的量子状态，对任何外部的磁场方向极度敏感。舒尔滕进一步认为，谜一般的鸟类罗盘可能使用了量子纠缠的机理。
在舒尔滕提出鸟类罗盘使用了量子纠缠的机理之后很多年，阿斯拜克特才做了这个实验，而在舒尔滕的时代，量子纠缠现象还颇具争议。而且，舒尔滕并不知道如此模糊的化学反应如何能让知更鸟“看见”地球的磁场。此处，我们说“看见”是因为维尔奇科夫妇的另一大发现。虽然知更鸟在夜间迁徙，但是要激活其体内的磁性罗盘需要少量的光（大约在可见光谱中偏蓝的一端），这就暗示着知更鸟的眼睛在其体内罗盘的运转中扮演着重要的角色。但是，除了视觉之外，知更鸟的眼睛又是如何向其提供磁感觉的呢？不管是否掌握舒尔滕的自由基配对原理，这都是一个十足的谜题。
“鸟类罗盘中用到了量子力学的理论”这一认识在科学的角落中搁置了20余年。舒尔滕后来去了美国，在伊利诺伊大学香槟分校建立起了非常成功的理论化学物理小组。但他从来没有忘记他那稀奇古怪的理论，并持续地撰写修改了一篇相关的论文，该文列举出一些可能的生物分子（活细胞中产生的分子），而这些生物分子可能会产生完成高速三重态反应必不可少的自由基。但是没有一种生物分子能够满足条件：它们不是不能产生自由基对，就是在知更鸟的眼睛里不存在。直到1998年，舒尔滕在一篇论文中了解到，在动物的眼中发现了一种神秘的光感受器，叫作隐花色素（cryptochrome）。这立刻激起了他的科研直觉，因为隐花色素是一种已知的可能会产生自由基对的蛋白质。
一位名叫索斯藤·里茨（Thorsten Ritz）的博士生后来加入舒尔滕的小组，里茨颇具天赋。在法兰克福大学读本科时，里茨听过舒尔滕关于鸟类罗盘的演讲，并对此着了迷。当出现机会时，他就跳槽到舒尔滕的实验室读博士，最初的研究课题是光合作用。当知道了隐花色素的事情后，他又转去研究磁感应。2000年，里茨与舒尔滕合著了题为《鸟类基于光感受器的磁感应模型》的论文，描述了隐花色素如何能在鸟的眼睛中创造一个量子罗盘（在第5章中，我们还要更加详细地讨论这个问题）。
四年后，里茨与维尔奇科夫妇组成小组，共同进行了一项关于知更鸟的研究，为“鸟类利用量子纠缠来进行环球导航”的理论提供了第一份实验证据。这一切似乎证明，舒尔滕一直是对的。他们2004年的论文，在《自然》上一经发表就引起了广泛的关注，鸟类的量子罗盘也立刻成为量子生物学——这门新兴科学的典型代表。

假如今天在科学家中间进行一项民意调查，问他们什么是整个科学领域最成功、影响最深远、最重要的理论，答案可能会取决于你所问的科学家是在非生物科学领域还是生物科学领域。绝大多数生物学家认为达尔文的自然选择进化论是人类有史以来最意义深远的理论，而一个物理学家则更倾向于认为量子力学理论才应该占据科学中的首要位置，因为量子力学构筑了大部分现代物理学与化学的基石，揭示了宇宙的基本构成单位，并向人类展现了一幅非凡的宇宙全景。确实，如果没有量子力学的解释，我们目前对世界如何运转的大部分看法都不能成立。
几乎每个人都听说过“量子力学”，不过，认为“量子力学是一门艰深而难以理解的科学，只有极小部分非常聪明的人能够理解它”的想法一直很普遍。但事实是，从20世纪早期开始，量子力学就已经成了我们所有人生活的一部分。量子力学在20世纪20年代中期发展为一种解释极小世界（现称微观世界）的数学理论。原子构成了我们眼睛所见的一切事物，而量子力学描述了原子的行为以及构成这些原子的更小粒子的性质。比如，通过描述电子运动所遵循的规则以及电子在原子内部如何安排自己的行为，量子力学奠定了整个化学、材料科学甚至电子学的基础。不仅如此，过去半个世纪中大多数技术进步都以量子力学的数学规则为核心。
如果没有量子力学对电子如何在材料中穿梭的解释，我们就无法理解半导体的行为；而半导体又是现代电子学的基础，如果没有对半导体的理解，我们就无法发明出硅晶体管，以及后来的微芯片及现代计算机。这样的例子不胜枚举：没有量子力学对我们知识的提升，就不会有激光，也就没有CD、DVD或是蓝光影碟播放器；没有量子力学，我们就不会有智能手机、卫星导航或是核磁共振成像扫描仪。事实上，有估计称，如果没有我们对量子世界中力学原理的理解，发达国家超过1/3的国内生产总值将无法实现。
这才仅仅是个开始。在有生之年，我们十有八九会见证一个量子时代到来。那个时候，人类可以从激光驱动的核聚变中获得近于无限的电能；分子级别的人造机器会在工程、生化及医药领域帮助人类完成大量的任务；量子计算机将开始提供人工智能；从前只在科幻作品中出现的远距传物技术将很有可能成为信息传递的常规方式。发端于20世纪的量子革命将在21世纪持续加速，以不可想象的方式改变我们的生活。
但是，量子力学究竟是什么呢？对这个问题的探索将是贯穿本书的线索。对于初次接触量子力学的尝鲜者，此处我们以几例量子力学对生活潜移默化的影响为开始，向你展现这些真相如何塑造了我们的生活。

大多数介绍核磁共振成像扫描仪的通俗说明都没有提到，其实此项技术依赖于量子世界奇特的运转原理。核磁共振成像扫描仪使用磁力强劲的大型磁铁将病人体内氢原子核的自旋轴排列整齐。之后，这些原子被放射波脉冲刺激，迫使排列整齐的原子核以奇特的量子状态存在，同时向两个方向自旋。试着将这个过程视觉化对理解它并没有什么作用，因为目前它离我们的日常生活还很遥远。重点在于当这些原子核重新回到最初的状态（即它们还未接受能量脉冲的刺激而进入量子叠加态）时，它们会把之前接受的能量释放出来。核磁共振成像扫描仪上的电子仪器将收集这些能量，并以此为患者体内的器官造影，生成细节丰富的图像。

在20世纪70年代早期，如果有谁认为量子纠缠这种奇特性质参与了普通化学反应，人们就会觉得他在异想天开。在那时，许多科学家支持爱因斯坦，他们怀疑处于纠缠态的粒子是否真的存在，毕竟还从未有人发现过这样的粒子。但在那之后的几十年间，许多实验室设计了巧妙的实验，证实了这种幽灵般的联结，其中最著名的要数早在1982年由阿兰·阿斯拜克特（Alain Aspect）领导的一组法国科学家在南巴黎大学进行的实验。
阿斯拜克特的团队让成对的光子（光的粒子）处在了纠缠偏振状态。偏光太阳镜可能让我们对偏振光已经很熟悉了。每一个光子都有其方向性和偏振的角度，与我们之前介绍的自旋性质很相似。阳光中的光子包含所有的偏振方向，而偏振太阳镜会过滤掉这些光子，只允许某个特定偏振角度的光子通过。阿斯拜克特生成了成对的光子，不仅偏振方向不同（比如一个向上一个向下），而且互相纠缠。正如之前那个舞伴的比喻，这两个光子中的任意一个，并不是真的朝此或是彼方向偏振，而是同时既向此又向彼方向偏振，接下来就要测量它们了。
测量是量子力学中最不可思议也是最有争议的地方。它与一个你一定已经想到的问题有关：为什么我们看到的所有物体不会像量子粒子一样完成这些怪异而又神奇的事情呢？答案是，在微观的量子世界中，粒子们之所以能够表现得如此奇特（比如同时做两件事、能穿墙而过、拥有幽灵般的联结），是因为没有人在看。一旦用某些方法去观察或是测量它们，它们就会失去这些特异性，表现得像我们周围随处可见的那些经典的普通物体一样了。
当然，这只会带来另一个问题：测量究竟有什么特别之处，能让量子粒子从量子行为变成了符合经典物理学的行为？这个问题的答案对本书的故事很重要，因为测量正处于量子世界与经典世界的边界上，可能你从本书的英文书名中也猜到了一二，生命也处在这个地方，即处于量子的边缘。
对量子测量的探索将会贯穿全书，而我们也希望你能逐渐掌握探索过程中难以理解的微妙之处。现在，我们将仅仅考虑对此现象最简单的理解，姑且认为用科学的工具测量一个量子性质，使得被测量的目标瞬间失去了自己的各种量子能力，而展现出一种传统的经典物理学性质，比如测量光的偏振状态时，光子失去同时指向各个方向的能力，而仅仅指向单一的方向。因此，当阿斯拜克特用观察光是否可以穿过特定的偏光镜的方法测量任意一对互相纠缠的光子其中之一的偏振态时，该光子瞬间失去了和它同伴之间幽灵般的联系，并采取了单一的偏振方向。而无论这对光子离得多远，它的同伴也会瞬间变得和它一样。至少，量子力学的方程式是这样预测的，也正是这一点让爱因斯坦心神不宁。

当量子系统与诸如阿兰·阿斯拜克特实验中的偏光镜等经典物理学的测量工具相互作用时，量子系统立刻失去了其量子特异性，表现得像经典物理学的物体一样。但是，我们周围的世界是我们看到的这个样子，并不能完全归咎于物理学家们采用的测量方法。那是什么力量在物理实验室之外使量子行为消失了呢？
答案与粒子的排列方式及其在大型（宏观）物体中的运动方式有关。原子与分子倾向于在非生命固体内随机地散布及无规则地振动；在液体与气体中，由于热的关系，它们也会持续地随机运动。这些随机的因素——散布、振动与运动——导致粒子波浪式的量子性质迅速消失。因此，其实是一个物体的所有量子成分的整体行为，共同完成了对所有成分的“量子测量”，也因此让我们周围的世界看起来变得正常。
为了观察到量子的特异性，你要么必须去一些不同寻常的地方（比如太阳的内层），要么凝视深层的微观世界（借助类似电子显微镜的工具），要么仔细地把量子粒子排成一行，以便它们能够步调一致地前进（正如当你躺在核磁共振成像扫描仪中时，你体内的氢原子核会按照相同的方式自旋——当关掉电磁铁后，原子核的自旋方向重新变得随机，量子一致性会再一次被抵消掉）。同理，分子随机化可以解释为什么大多数时候没有量子力学我们也可以照样过日子：我们周围所有能看见的非生命物体，其量子特异性由于构成它们的分子持续地向各个方向随机运动，而被抵消掉了。
注意是“大多数时候”而不是“总是”。正如舒尔滕所发现的那样，只有用到纠缠态这一精妙的量子理论时，才能解释高速三重态反应的反应速度。但高速三重态反应不过只是“快”而已，而且仅仅涉及两三个分子。要想解释鸟类的导航能力，量子纠缠必须对整只知更鸟施加持续的影响。因此，宣称鸟类磁性罗盘是量子纠缠的，与宣称量子纠缠在一个只涉及几个分子的特殊化学反应中起到了作用是两个完全不同级别的命题。因此，这个主张受到了相当数量的怀疑也就不足为奇了。

我们总是忍不住把“呼吸作用”看作是“呼吸”：将需要的氧气吸入肺中，然后排出二氧化碳废气。但吸和呼其实不过是细胞内更复杂、更有序的过程的第一步（提供氧气）和最后一步（排出二氧化碳）而已。呼吸作用发生在一种叫作“线粒体”的复杂细胞器内。线粒体之所以看起来就像是独立存在于人类细胞内的细菌细胞一样，是因为它们也有自己的内部结构，比如膜。它们甚至还有自己的DNA。实际上，线粒体几乎肯定是从一种共生菌类进化而来的，数亿年前该菌寄生在动物和植物祖先的细胞中，后来失去了独自生存的能力。但它们的祖先曾是独立生存的微生物细胞，这或许解释了为什么它们有能力执行像呼吸作用这样极度复杂而巧妙的过程。其实，就化学反应的复杂性而言，呼吸作用可能仅次于我们将在下一章中讨论的光合作用了。