◆ 中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物學(xué)的澎湃
>> 活細(xì)胞中數(shù)以千計(jì)的生化反應(yīng)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行，由酶、其他蛋白質(zhì)和大分子參與的復(fù)雜過(guò)程在生物體中執(zhí)行著各類(lèi)不可思議的任務(wù)。
>> 化學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)深入到生命體的分子層面時(shí)，觀察到遵循量子力學(xué)規(guī)律的現(xiàn)象不足為奇。他們認(rèn)為，如果挖掘得足夠深入，一切事物都是量子的。
◆ 動(dòng)物大遷徒
>> 知更鳥(niǎo)：它們能感知到地球磁場(chǎng)的方向與強(qiáng)度。這種能力被稱(chēng)為磁感應(yīng)（magnetoreception）。
>> 發(fā)熱體表面的物質(zhì)在以一定的離散頻率振動(dòng)，導(dǎo)致熱能只能通過(guò)微小而離散的能量團(tuán)進(jìn)行輻射，而且這些能量團(tuán)不可以再分，被稱(chēng)為“量子”。
>> “電子具有波的性質(zhì)”這一發(fā)現(xiàn)直接催生了電子顯微鏡的發(fā)明。
>> 德國(guó)科學(xué)家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)生的波長(zhǎng)（指任一波中連續(xù)兩個(gè)波峰或波谷之間的距離）比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)要短得多，因此基于電子成像的顯微鏡會(huì)比普通的光學(xué)顯微鏡捕捉到更多的細(xì)節(jié)。
>> 如果要讓兩個(gè)質(zhì)子靠近到足以聚變，那么兩個(gè)質(zhì)子必須要有能力穿越一堵亞原子尺度的“磚墻”：一個(gè)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(shí)完成兩件、100件甚至100萬(wàn)件事情。
>> 在大爆炸之后，宇宙誕生，彼時(shí)的空間中充斥著單一的原子，即以最簡(jiǎn)單的形式存在的氫原子——由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成。
>> 在充滿(mǎn)氫的恒星內(nèi)部，可以利用氫的另一種形態(tài)來(lái)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?dú)w功于量子的魔法。
>> 合成的第一步是兩個(gè)氫原子核，也就是質(zhì)子，通過(guò)量子隧穿效應(yīng)靠得足夠近時(shí)，釋放一些能量。
>> 第二步，兩個(gè)質(zhì)子必須結(jié)合在一起，這個(gè)過(guò)程并不容易，因?yàn)閮蓚€(gè)質(zhì)子間的作用并不能提供足夠的黏合力。所有的原子核其實(shí)由兩種粒子構(gòu)成：質(zhì)子和電中性的中子。
>> 量子力學(xué)的原理就認(rèn)為原子核內(nèi)的平衡會(huì)重新調(diào)整，部分多余的粒子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N粒子：質(zhì)子變成中子或是中子變成質(zhì)子。這種轉(zhuǎn)變的過(guò)程被稱(chēng)為β衰變（beta-decay）。兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合時(shí)所發(fā)生的事情正是如此：兩個(gè)質(zhì)子不能共存，其中之一會(huì)β衰變?yōu)橹凶?。剩余的質(zhì)子與新生成的中子會(huì)結(jié)合形成一種新的物質(zhì)氘核（氫的同位素[插圖]氘的原子核），之后，氘核會(huì)進(jìn)一步發(fā)生核反應(yīng)，合成更加復(fù)雜的、重于氫的原子核，從氦（兩個(gè)質(zhì)子加一個(gè)或兩個(gè)中子）到碳、氮、氧，以此類(lèi)推。
>> 我們能夠存在，是因?yàn)橘|(zhì)子和中子以反直覺(jué)的量子方式存在著。
>> 量子糾纏是指，曾經(jīng)在一起的粒子，無(wú)論分開(kāi)多么遙遠(yuǎn)的距離，都能保持瞬時(shí)的、近乎魔法般的聯(lián)系。
◆ 神奇的生命
>> 事實(shí)上，幾乎所有能使世界發(fā)生變化的非生物過(guò)程（物理的和化學(xué)的）都遵循熱力學(xué)原理，“混亂”擁有不可阻擋的力量。
>> 分子隨機(jī)碰撞（及其化學(xué)反應(yīng)）產(chǎn)生的自由能被用來(lái)維持生命體并復(fù)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(lèi)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(xué)結(jié)構(gòu)。核苷酸“念珠”有四種變體：腺嘌呤（adenine，縮寫(xiě)為A）、鳥(niǎo)嘌呤（guanine，縮寫(xiě)為G）、胞嘧啶（cytosine，縮寫(xiě)為C）和胸腺嘧啶（thymine，縮寫(xiě)為T(mén)）。
>> 生命的第一個(gè)謎題是在每個(gè)活細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)的極度復(fù)雜性。
>> 生命的另一個(gè)謎題是死亡。
>> 玻爾認(rèn)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(gè)軌道躍遷到下一個(gè)較低的軌道，并釋放與兩個(gè)軌道的能級(jí)差完全相同的一團(tuán)電磁能（一個(gè)光子），也就是量子。相應(yīng)地，如果電子躍遷到一個(gè)更高的軌道上，就需要吸收一個(gè)具有相應(yīng)能級(jí)差的光子的能量。
>> 量子力學(xué)的基本性質(zhì)之一，那就是頻率與能量緊密相關(guān)。
>> 海森堡相信，如果不去測(cè)量，我們完全不可能畫(huà)出電子的肖像，而薛定諤則更喜歡將沒(méi)有被觀測(cè)的電子想象成一個(gè)真實(shí)的物質(zhì)波，只不過(guò)我們一觀測(cè)，就會(huì)“塌縮”為一個(gè)離散的粒子。
>> 量子波動(dòng)方程覆蓋整個(gè)空間，這意味著在描述電子時(shí)，我們所能做的極限就是算出一個(gè)數(shù)集來(lái)描述電子同時(shí)存在于空間中各點(diǎn)的概率，而不是在一個(gè)單一的位置找到電子。
>> 量子概率并不意味著我們的知識(shí)存在缺陷，我們也無(wú)法通過(guò)獲得更多的信息來(lái)彌補(bǔ)這一“缺陷”，因?yàn)榱孔痈怕时旧砭褪亲匀唤缭谖⒂^層面的根本性質(zhì)之一。
>> 熱力學(xué)的原理正是如此：大量分子的平均行為是可預(yù)測(cè)的，而單一分子的行為卻不可預(yù)測(cè)。
>> “生命有機(jī)體似乎是一個(gè)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(dāng)溫度趨近絕對(duì)零度且分子的無(wú)序狀態(tài)消除時(shí)，都將趨向于這種行為?！?/span>
>> 隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)會(huì)干擾精心排列的量子系統(tǒng)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)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(yīng)。
◆ 02 酶是生命的引擎
>> 酶是生命的引擎。所有的生命都依賴(lài)酶。我們體內(nèi)的每一個(gè)細(xì)胞中都填充著數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)這樣的分子機(jī)器，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在“幫助”細(xì)胞組裝和回收利用生物分子，使之持續(xù)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去。這個(gè)過(guò)程，就是我們所說(shuō)的“活著”
◆ 生死攸關(guān)的酶
>> 幾千年前，我們的祖先可以通過(guò)添加酵母使谷子變成啤酒、葡萄汁變成紅酒，而酵母本質(zhì)上就是一包以細(xì)菌為包裝的酶
>> 幾百個(gè)這樣扭曲的氨基酸分子會(huì)串在一起形成蛋白質(zhì)，就像一串顆顆形狀各異的念珠。每個(gè)念珠通過(guò)“肽鍵”與下一顆念珠連接，肽鍵連接了一個(gè)氨基酸中的碳原子與下一個(gè)氨基酸中的氮原子。
>> 肽鍵可是讓霸王龍?bào)w內(nèi)的膠原蛋白纖維緊密結(jié)合6 800萬(wàn)年！膠原蛋白是一種特別穩(wěn)固的蛋白質(zhì)，這對(duì)于其作為內(nèi)部紐帶維持生命組織形狀與結(jié)構(gòu)的角色至關(guān)重要。
>> 凝乳酶在小牛犢體內(nèi)的本來(lái)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(zhǎng)的時(shí)間。
>> 膠原蛋白是一串氨基酸，每一個(gè)氨基酸通過(guò)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(xiàn)表示）與下一個(gè)氨基酸相連。肽鍵僅僅是分子內(nèi)能將原子結(jié)為一體的幾種化學(xué)鍵之一。它的本質(zhì)是一對(duì)由碳氮原子共享的電子。這對(duì)由碳氮原子共享的帶有負(fù)電荷的電子會(huì)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(jié)合在一起。這類(lèi)化學(xué)鍵也被稱(chēng)為共價(jià)鍵。
>> 肽鍵很穩(wěn)定，因?yàn)橥ㄟ^(guò)迫使共用電子對(duì)分離使肽鍵斷裂需要很高的“活化能”
>> 膠原蛋白之類(lèi)的蛋白質(zhì)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(guò)肽鍵連接（見(jiàn)a）。圖中的肽鍵用粗線(xiàn)表示。肽鍵可以被一個(gè)水分子（H 2O）水化，從而使肽鍵斷裂（見(jiàn)c）。但在斷裂之前必須要先經(jīng)過(guò)不穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)，此狀態(tài)至少包括兩種可以互相轉(zhuǎn)化的不同結(jié)構(gòu)（見(jiàn)b）。
>> 實(shí)際上，在非酸非堿的中性溶液中，要讓一個(gè)蛋白質(zhì)分子中一半的肽鍵斷裂所需的時(shí)間，也就是該反應(yīng)的半衰期，要超過(guò)500年。
>> 酶通過(guò)使過(guò)渡態(tài)更加穩(wěn)定來(lái)加速像肽鍵斷裂之類(lèi)的化學(xué)過(guò)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(gè)的原子、質(zhì)子和電子。
>> 氧化反應(yīng)的本質(zhì)是電子由供體分子到受體分子的移動(dòng)。以煤的燃燒為例，來(lái)自碳原子的高能電子轉(zhuǎn)移向氧原子，形成低能的化學(xué)鍵，從而產(chǎn)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(jiàn)，對(duì)地球上的生命來(lái)說(shuō)，量子隧穿效應(yīng)可謂生死攸關(guān)，因?yàn)樵谔?yáng)內(nèi)部氫核聚變生成氦的反應(yīng)中，它讓一對(duì)對(duì)帶正電的氫原子核得以融合，從而使太陽(yáng)釋放出巨大的能量。
>> 然而，直到最近，人們還認(rèn)為量子隧穿效應(yīng)并不存在于任何生命過(guò)程中。
>> 粒子越輕，隧穿便越容易，這是量子力學(xué)的特性之一。
>> 除了促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，膠原蛋白酶的關(guān)鍵活動(dòng)還包括移動(dòng)質(zhì)子以促使膠原蛋白斷裂（見(jiàn)圖2-4）。之前已經(jīng)提過(guò)，這類(lèi)反應(yīng)是酶操縱粒子最常見(jiàn)的手段。
>> 質(zhì)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(jiàn)的氫的同位素是最輕的一種，由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成，稱(chēng)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(gè)質(zhì)子、一個(gè)中子，氚核中有一個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)中子。元素的化學(xué)性質(zhì)主要由其核外電子數(shù)決定。
>> 動(dòng)態(tài)同位素效應(yīng)測(cè)量的是某種元素輕重不同的同位素在某化學(xué)反應(yīng)中不同的敏感度，其定義為較重同位素的反應(yīng)率與較輕同位素的反應(yīng)率的比值。
>> 增加質(zhì)量讓粒子的行為更像粒子而更不像“波”，同時(shí)更難穿透能量壁壘。
>> 酶參與了每一個(gè)活著或死去的細(xì)胞中的每一個(gè)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(guān)。有的酶，或者說(shuō)可能所有的酶，其工作原理是使處于空間中某一點(diǎn)的粒子去物質(zhì)化，然后幾乎同時(shí)在空間中的另一點(diǎn)重新物質(zhì)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(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)，切中量子力學(xué)的內(nèi)涵
>> 構(gòu)成樹(shù)的主要元素是碳，這些碳元素從何而來(lái)呢？答案是空氣，樹(shù)中的碳元素來(lái)自空氣中的二氧化碳。古人看見(jiàn)樹(shù)木拔地而起，就理所當(dāng)然地認(rèn)為構(gòu)成樹(shù)的物質(zhì)來(lái)自于土壤。但是這個(gè)問(wèn)題真正的答案是……樹(shù)來(lái)自于空氣……來(lái)自于二氧化碳，是樹(shù)木吸收了二氧化碳并且轉(zhuǎn)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(jié)合得非常緊密……那么為什么樹(shù)木可以將兩者不費(fèi)吹灰之力地分離？……陽(yáng)光，氧原子在陽(yáng)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(shù)！——理查德·費(fèi)曼
>> 量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和效率比當(dāng)今絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)要高得多（原因在于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算依賴(lài)每個(gè)比特0或者1的電子邏輯，而量子計(jì)算機(jī)則可以同時(shí)處理0和1兩個(gè)邏輯，這種并行運(yùn)算允許量子計(jì)算機(jī)一次性進(jìn)行所有可能的運(yùn)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(zhǎng)干涉。波與波的融合形成了強(qiáng)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(diǎn)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(biāo)志，這就是我們所說(shuō)的干涉條紋。
>> 雙縫實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵要素是必須使用單色光（也就是單一波長(zhǎng)的光）。
>> 我們必須借助波粒二象性來(lái)理解它們的行為：如果我們不清楚它們會(huì)從哪條縫隙中穿過(guò)，它們的運(yùn)動(dòng)將符合波的性質(zhì)，而當(dāng)我們對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察，它們的運(yùn)動(dòng)則符合粒子的性質(zhì)。
>> 量子力學(xué)對(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)的解釋是，在一個(gè)給定的時(shí)間點(diǎn)，每一個(gè)原子在空間內(nèi)所在的位置都必須由一系列概率來(lái)描述。
>> 當(dāng)我們采取任何針對(duì)原子位置信息的檢測(cè)手段時(shí)，原子的波函數(shù)塌縮為一個(gè)唯一的可能性。
>> 物體的體積越大，復(fù)雜程度越高，它們的波動(dòng)性就越弱。
>> 每一個(gè)經(jīng)典的宏觀物體內(nèi)都會(huì)發(fā)生退相干——雖然構(gòu)成宏觀物體的原子和分子都具有量子性質(zhì)，但是這些粒子時(shí)刻發(fā)生的熱振動(dòng)以及周?chē)渌Ｗ拥淖矒簦顾鼈兪チ讼喔尚院筒▌?dòng)性。
>> 如果我們把幾塊石頭投入一個(gè)平靜的池塘，要看清它們漣漪之間的交疊應(yīng)該不算太難。但是如果把這些石頭投進(jìn)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?chē)鷩袒靵y的粒子運(yùn)動(dòng)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(xué)現(xiàn)象，比如波動(dòng)性現(xiàn)象，同時(shí)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(chēng)為“量子相干性”；相對(duì)的，相干性喪失，量子現(xiàn)象變?yōu)榻?jīng)典現(xiàn)象的物理過(guò)程則被稱(chēng)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(zhì)，因?yàn)樗娜蝿?wù)無(wú)比艱巨：合成世界上幾乎所有的有機(jī)質(zhì)。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(dòng)物和植物都需要碳，植物可以利用空氣中的碳，而動(dòng)物則需要從有機(jī)物中獲得，比如通過(guò)攝食植物。動(dòng)物和植物也都需要電子來(lái)合成生物化學(xué)分子：動(dòng)物通過(guò)“燃燒”有機(jī)質(zhì)以獲得電子，而植物則利用光“燃燒”水來(lái)獲得電子。此外，兩者都需要能量：動(dòng)物通過(guò)高能電子在呼吸鏈中傳遞釋放的勢(shì)能獲取能量；而植物則從太陽(yáng)釋放的光子中捕獲能量。
◆ 異常靈敏的嗅覺(jué)
>> 視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)通過(guò)來(lái)自物體的電磁波或聲波間接獲取信息
>> 味覺(jué)和嗅覺(jué)則與之不同，它們通過(guò)直接接觸物體（分子）接收信息，截獲“來(lái)自物質(zhì)實(shí)在”的信號(hào)。
>> 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(jué)上皮（見(jiàn)圖4-1）。人的嗅覺(jué)上皮大約只有3平方厘米
>> 布滿(mǎn)了分泌黏液的腺體和數(shù)百萬(wàn)嗅覺(jué)神經(jīng)元。嗅覺(jué)神經(jīng)元之于嗅覺(jué)，就像視桿細(xì)胞與視錐細(xì)胞之于視覺(jué)。
>> 鼻腔中的上皮組織，而那里排列著約1 000萬(wàn)嗅覺(jué)神經(jīng)元。
>> 整個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵步驟是嗅覺(jué)神經(jīng)元捕獲氣味分子。
>> 嗅覺(jué)表位理論提出，嗅覺(jué)受體識(shí)別的是這些亞結(jié)構(gòu)的形狀，而非整個(gè)分子。
>> 圖林提出了新的分子機(jī)制，盡管只是猜測(cè)性的解釋?zhuān)惭灾欣怼Ｔ摍C(jī)制指出，生物分子能夠通過(guò)電子的量子隧穿來(lái)探測(cè)化學(xué)鍵的振動(dòng)。
>> 含硫氫基團(tuán)的化合物通常有強(qiáng)烈的臭雞蛋味兒，而且它們都含有一條硫氫鍵，振動(dòng)頻率約為76太赫茲（每秒76萬(wàn)億次振動(dòng)）。圖林用自己的理論明確預(yù)測(cè)：任何其他分子，無(wú)論形態(tài)如何，若含有以76太赫茲的頻率振動(dòng)的化學(xué)鍵，應(yīng)該也會(huì)有臭雞蛋的氣味。
>> 圖林檢索了大量光譜學(xué)文獻(xiàn)，只為發(fā)現(xiàn)一種具有相同振動(dòng)頻率的分子。功夫不負(fù)有心人，他終于發(fā)現(xiàn)，硼烷類(lèi)化合物中的硼氫鍵，其振動(dòng)頻率中值約為78太赫茲，與硫氫鍵76太赫茲的振動(dòng)頻率非常接近。
>> 后來(lái)證明，硼烷類(lèi)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(gòu)成，分子式為B 10H 14。
◆ 帝王蝶的遷徙之謎
>> 與許多其他遷徙動(dòng)物一樣，蝴蝶利用多種感官進(jìn)行導(dǎo)航，例如視覺(jué)、嗅覺(jué)以及太陽(yáng)羅盤(pán)。動(dòng)物和植物體內(nèi)的生化過(guò)程具有接近24小時(shí)的生物節(jié)律，這種與白天黑夜循環(huán)相對(duì)應(yīng)的節(jié)律被稱(chēng)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(yáng)的位置來(lái)修正前進(jìn)的方向。
>> 帝王蝶的太陽(yáng)羅盤(pán)通過(guò)比較太陽(yáng)高度和一天中的時(shí)間——兩者反映了帝王蝶所處的維度和經(jīng)度——來(lái)辨別方向。
>> 昆蟲(chóng)的觸角包含的感官本來(lái)就多得驚人，觸角具有嗅覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，能夠感受氣壓甚至重力。
>> 作為鳥(niǎo)類(lèi)王牌領(lǐng)航員的信鴿體內(nèi)檢測(cè)到了磁石晶體，它們位于信鴿上喙中的神經(jīng)元內(nèi)，
>> 由于電子處于量子世界，所以在沒(méi)有被觀察的時(shí)候，電子可以同時(shí)朝這兩個(gè)方向自旋。我們稱(chēng)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(xué)家在果蠅的眼睛里發(fā)現(xiàn)了隱花色素，這種物質(zhì)最終被證實(shí)與光誘導(dǎo)的生物節(jié)律有關(guān)。重點(diǎn)在于，隱花色素是一類(lèi)在光的激發(fā)下能夠產(chǎn)生自由基的蛋白分子。這一點(diǎn)被舒爾滕和合作者牢牢抓住，他們認(rèn)為隱花色素就是鳥(niǎo)類(lèi)化學(xué)指南針的光受體分子。
>> 磁感應(yīng)產(chǎn)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(gè)藍(lán)光光子。
>> 它在吸收光子的能量后激發(fā)自身分子內(nèi)某個(gè)原子的電子，電子激發(fā)留下一個(gè)空的軌道?？粘龅碾娮榆壍罆?huì)接收來(lái)自FAD分子內(nèi)某個(gè)色氨酸殘基糾纏態(tài)電子對(duì)的其中一個(gè)電子。
>> 分離電子對(duì)中的兩個(gè)電子依舊保持糾纏態(tài)，而它們所組成的電子對(duì)則同時(shí)具有自旋單態(tài)和自旋三重態(tài)。自旋疊加態(tài)的電子對(duì)正是克勞斯·舒爾滕研究中對(duì)磁場(chǎng)極度敏感的化學(xué)反應(yīng)體系。
◆ 06 量子基因
>> DNA復(fù)制的錯(cuò)誤率往往小于十億分之一，極高的復(fù)制精度，得以讓生命一代一代傳下去。
◆ 遺失的世界
>> 配對(duì)DNA雙鏈間的弱結(jié)合順理成章地為基因復(fù)制提供了一種機(jī)理：雙鏈解旋分開(kāi)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(chǔ)上形成互補(bǔ)的新鏈，使最初的一條雙鏈變?yōu)閮蓷l，完成復(fù)制。
>> 這正是細(xì)胞分裂時(shí)基因復(fù)制的過(guò)程。
◆ 意識(shí)是什么
>> 我們假設(shè)，思維是對(duì)大腦中復(fù)雜信息的整合，以塑造對(duì)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(chǎn)生了意識(shí)。意識(shí)驅(qū)動(dòng)大腦進(jìn)行思維活動(dòng)，思維活動(dòng)繼而驅(qū)使身體發(fā)生物理運(yùn)動(dòng)。
>> 我們描述的完全是一種機(jī)械的因果關(guān)聯(lián)：感官信息的輸入決定運(yùn)動(dòng)信息的輸出，其中某些信息還要經(jīng)過(guò)大腦內(nèi)的記憶中心。
>> 大多數(shù)神經(jīng)生物學(xué)家都青睞于一元論：他們認(rèn)為心智與肉體實(shí)際上是同一種東西。比如，神經(jīng)科學(xué)家馬塞爾·金斯波蘭尼（Macel Kinsbourne）認(rèn)為，“意識(shí)是一種具有交互式功能的特殊神經(jīng)電路”。
>> 量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力以指數(shù)級(jí)的方式隨著量子位數(shù)目的增加而增長(zhǎng)。
>> 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(huì)受到嚴(yán)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(yùn)動(dòng)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的比特位。
>> 哥德?tīng)柕牡谝徊煌耆远ɡ碇赋?，在每一個(gè)邏輯體系中，比如自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)中，都存在該邏輯體系自身無(wú)法證明真?zhèn)蔚拿}。
>> 下面要說(shuō)的這一點(diǎn)很重要：哥德?tīng)柕亩ɡ聿⒉灰馕赌承┟}無(wú)法被證明，而是強(qiáng)調(diào)能夠證明這些命題的邏輯存在于產(chǎn)生它們的邏輯體系之外。
>> 彭羅斯與亞利桑那大學(xué)的麻醉學(xué)與心理學(xué)教授斯圖爾特·哈梅羅夫（Stuart Hameroff）[插圖]合作，兩人宣稱(chēng)神經(jīng)元里一種叫微管（microtubules）的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于量子計(jì)算機(jī)的量子位。
>> 微管是由微管蛋白組成的鏈狀結(jié)構(gòu)。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(jìn)行轉(zhuǎn)換。最重要的是作為量子物體，微管蛋白可以同時(shí)具有伸張或者收縮的狀態(tài)，這一點(diǎn)讓它類(lèi)似于量子位。
>> 最新的研究暗示，量子力學(xué)可能的確參與了意識(shí)的過(guò)程。
>> 神經(jīng)元細(xì)胞膜上的離子通道，是大腦中存在量子力學(xué)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(zhǎng)，而寬度不到長(zhǎng)度的一半，所以離子只能一個(gè)一個(gè)通過(guò)。盡管如此，離子穿過(guò)通道的速度非?？?，達(dá)到了大約每秒1億個(gè)。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(guò)1萬(wàn)個(gè)鉀離子，才有可能錯(cuò)漏過(guò)一個(gè)鈉離子。
>> 高效的離子轉(zhuǎn)運(yùn)速度以及超凡的離子選擇能力，讓離子通道成為動(dòng)作電位快速傳播的保證，動(dòng)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(xué)的神經(jīng)科學(xué)家古斯塔夫·波洛伊德（Gustav Bernroider）與維也納科技大學(xué)原子研究所的約翰·薩姆哈默（Johann Summhammer）合作完成一個(gè)量子力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)
>> 研究團(tuán)隊(duì)最后總結(jié)認(rèn)為，量子相干性在神經(jīng)離子通道傳導(dǎo)離子的過(guò)程中“不可或缺”，換句話(huà)說(shuō)，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(shuō)過(guò)，隨機(jī)化學(xué)過(guò)程創(chuàng)造出生命的概率，就像龍卷風(fēng)吹過(guò)垃圾場(chǎng)，然后純屬意外地造出了一架大型客機(jī)。他的話(huà)生動(dòng)形象地說(shuō)明，我們今天所知的細(xì)胞生命體太過(guò)復(fù)雜有序，不可能起源于純粹的偶然，在此之前一定有更簡(jiǎn)單的自復(fù)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(shí)驗(yàn)
>> 通常認(rèn)為，宇宙的起源、生命的起源和意識(shí)的起源是科學(xué)中的三大謎題。
>> 量子力學(xué)與第一個(gè)問(wèn)題緊密相關(guān)，我們也已經(jīng)討論過(guò)它與第三個(gè)問(wèn)題之間可能存在的聯(lián)系。我們很快會(huì)發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)對(duì)解釋第二個(gè)問(wèn)題可能也會(huì)有幫助。
>> “奧巴林-霍爾丹假說(shuō)”（Oparin-Haldane hypothesis）。他們兩人都認(rèn)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(zhì)在暴露于閃電、太陽(yáng)輻射或火山引起的高熱后，會(huì)結(jié)合形成簡(jiǎn)單有機(jī)物的混合物。他們提出，這些有機(jī)物隨后會(huì)在原始海洋中積累，形成溫?zé)帷⑾♂尩挠袡C(jī)漿湯。這些有機(jī)物在湯中沖刷了幾百萬(wàn)年，或許還曾流經(jīng)伊蘇的泥火山，最終在各種機(jī)緣巧合下形成一種新的分子。該分子具有一種非凡的性質(zhì)：進(jìn)行自我復(fù)制的能力。
>> 霍爾丹和奧巴林提出，就我們目前所知，原始復(fù)制體（primordial replicator）的出現(xiàn)是生命起源的關(guān)鍵事件。
>> 為了再現(xiàn)早期地球上生命初生時(shí)的條件，米勒在模擬原始大氣時(shí)，只是簡(jiǎn)單地加了一瓶水來(lái)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(guò)周期性地釋放電火花來(lái)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(zhì)的基本構(gòu)成單位。
>> 基因不僅可以通過(guò)DNA進(jìn)行編碼，還可以通過(guò)RNA進(jìn)行編碼。
>> 原始的化學(xué)合成過(guò)程制造出了同時(shí)具有基因和酶的功能的RNA分子，最初的復(fù)制過(guò)程產(chǎn)生出許多變異體，這些不同的變異體互相競(jìng)爭(zhēng)，在分子層面展開(kāi)優(yōu)勝劣汰。隨著時(shí)間的推移，這些RNA復(fù)制體上添加了蛋白質(zhì)來(lái)提供復(fù)制的效率，并由此產(chǎn)生了DNA和第一個(gè)活細(xì)胞。
>> 在DNA和細(xì)胞出現(xiàn)以前，世界屬于自復(fù)制RNA分子——這個(gè)想法幾乎已經(jīng)成為研究生命起源的基本信條。
>> RNA分子由三個(gè)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(lèi)似）、一個(gè)磷酸基團(tuán)和一個(gè)叫作核糖的單糖。
◆ 量子生物學(xué)的新發(fā)現(xiàn)
>> 物理學(xué)的世界可以被分為三個(gè)層次（見(jiàn)圖C-1）。表面的第一層是宏觀世界，這個(gè)世界里的日常物體，比如足球、火車(chē)和植物等，它們的行為遵循牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)法則，我們可以用速度、加速度、動(dòng)量和力等熟悉的概念來(lái)描述它們。在此之下，是描述液體、氣體行為的熱力學(xué)世界。在這一層里牛頓的經(jīng)典法則依舊適用，但是我們?cè)诘?章里說(shuō)過(guò)，薛定諤指出，這種適用性是基于對(duì)萬(wàn)億個(gè)各自進(jìn)行無(wú)序運(yùn)動(dòng)粒子的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，是“來(lái)自無(wú)序的有序”。熱力學(xué)法則旨在描述類(lèi)似氣體受熱如何膨脹、蒸汽如何做功驅(qū)動(dòng)火車(chē)這樣的現(xiàn)象。最深的第三層，也就是物理學(xué)的基石：量子世界。在這個(gè)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(jīng)典力學(xué)的影響已經(jīng)鞭長(zhǎng)莫及。
>> 我們已經(jīng)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(xué)的土壤，貫穿渾濁的熱力學(xué)地下河，深深植根于量子力學(xué)的地底巖層內(nèi)。宏觀的生物體內(nèi)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(xué)家對(duì)量子力學(xué)如何參與生命過(guò)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(xì)胞內(nèi)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(guò)整片的葉綠素之林，最終到達(dá)反應(yīng)中心。
>> 光合作用反應(yīng)中心里有兩種特殊的分子噪音，它們不僅不會(huì)破壞相干性，反而有助于維持反應(yīng)粒子的相干性。
>> 第一種噪音的強(qiáng)度相對(duì)較弱，某些地方把它稱(chēng)為“白噪音”（white noise）
>> 白噪音是周?chē)h(huán)境中粒子熱力學(xué)振動(dòng)的結(jié)果，在活細(xì)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(shí)被稱(chēng)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(jiàn)）光只代表整個(gè)電磁波譜上極其狹窄的一段頻率范圍。
>> 在光合作用復(fù)合體中，活細(xì)胞內(nèi)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(yùn)動(dòng)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(diào)整到“正好”能獲得最大效率的水平。
>> 卡諾循環(huán)解釋了熱機(jī)如何在冷卻過(guò)程中利用釋放的一部分熱量做有用功的原理。具體地說(shuō)，蒸汽機(jī)把水蒸氣從鍋爐轉(zhuǎn)移到冷凝器，在冷凝器內(nèi)水蒸氣放熱，蒸汽機(jī)將水蒸氣放熱過(guò)程中釋放的一部分熱能轉(zhuǎn)化，用作水蒸氣推動(dòng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，活塞運(yùn)動(dòng)推動(dòng)火車(chē)頭的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。冷凝的水被送回鍋爐，準(zhǔn)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(jī)的主要問(wèn)題是，躍遷電子具有的能量會(huì)以熱能的形式迅速耗散，嚴(yán)重限制了這種量子熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率。
>> 當(dāng)碳在空氣中燃燒時(shí)，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(duì)，共用電子對(duì)也就是二氧化碳中的碳氧鍵。由于碳的外層電子結(jié)合相對(duì)來(lái)說(shuō)非常疏松，所以在燃燒反應(yīng)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(yīng)中心，激子的能量被用于將水分子中的電子剝脫出來(lái)，要知道水分子中電子結(jié)合的牢固程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了碳原子的外層電子。一般來(lái)說(shuō)，在反應(yīng)中心，一對(duì)水分子會(huì)被分解為一個(gè)氧分子、四個(gè)帶正電的氫離子和四個(gè)電子。也就是說(shuō)，水分子在反應(yīng)中失去了電子，因此，反應(yīng)中心是我們?cè)谧匀唤缫阎?、唯一一個(gè)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(jī)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(gè)星球上每一個(gè)活細(xì)胞中的每一個(gè)分子都是由酶催化合成的。有益的震蕩可能對(duì)維持我們的生命至關(guān)重要。
>> 正如20世紀(jì)30年代帕斯夸爾·約爾旦預(yù)測(cè)的，生命的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了精巧的設(shè)置與平衡，量子水平的變化能夠?qū)暧^世界的事件造成影響。量子范疇內(nèi)發(fā)生的變化引起宏觀世界的效應(yīng)是生命獨(dú)有的特征，正是生命宏觀現(xiàn)象對(duì)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(xué)風(fēng)暴（也就是分子噪音）有助于活細(xì)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(jīng)典與量子世界交界的邊緣上
>> 生命就像一臺(tái)復(fù)雜的分子機(jī)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(zhì)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(xué)性質(zhì)，生命之舟在海上徒勞地抵抗著熱力學(xué)的風(fēng)暴。圖C-3 生命的死亡
>> 沒(méi)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(wú)法再對(duì)細(xì)胞的宏觀行為施加影響，與量子世界失聯(lián)的細(xì)胞將沉入熱力學(xué)海洋動(dòng)蕩的洋流里，最終變成徹頭徹尾的經(jīng)典物體。
>> 我們的身體可以通過(guò)不斷地更新、替換和修復(fù)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。
