生命即是量子

1. 生命即是量子

奇怪的量子效应是如此微妙，似乎只有在实验室里才会发生。地球上的生命怎么会具有量子效应呢？
  
 量子世界与我们熟悉的世界不同。量子物理学中最著名的思想实验的是薛定谔的猫。想象一下，我们把一只猫封在一个盒子里。这只猫的命运是通过一种毒药与量子世界联系在一起的，只有当一个放射性原子衰变时，这只猫的命运才会被释放出来。量子力学说认为，原子在被观察到之前，必须以一种叫做 "叠加 "的奇特状态存在，这种状态既衰变了又没有衰变。此外，由于猫的存活取决于原子的作用，因此，在有人打开盒子观察之前，猫似乎也必须是作为活猫和死猫的叠加状态存在。毕竟，猫的生死存亡取决于原子的状态，而原子的状态还没有决定。
  
 然而，没有人真正相信猫可以同时是死的和活的。基本粒子，比如原子，会做一些奇怪的量子事情，同时存在于两个状态，同时占据两个位置，穿越不可穿透的壁垒等等，这和我们熟悉的经典物体，比如猫存在着深刻的区别。
  
 
  
  
 
  
 量子力学坚持认为，所有的粒子也都是波。但如果你想看到奇怪的量子效应，波都要排成一线，让波峰和波谷重合。物理学家称这种特性为相干性：这就像音符的调性。如果波不排队，波峰和波谷就会互相抵消，破坏了相干性，你就不会看到任何奇怪的东西。另一方面，当你只处理单个粒子的波时，要保持它的 "调性 "是很容易的，它必须只与自己一致。但要把几百个、几百万或几万亿个粒子的波排成一条线是不可能的。所以在大物体内部的怪异性会被抵消掉。这就是为什么一只猫似乎没有什么不确定的地方。
  
 然而，1944年薛定谔在《生命是什么？》一书中写道："生命的一些最基本的构件，就像未被观察到的放射性原子一样，一定是能够执行反直觉的技巧的量子实体。”
  
 他认为，生命之所以不同于无生命的世界，正是因为它居住在量子世界和经典世界之间的边界地带，我们可以称之为量子边缘。
  
 薛定谔的论点是基于以下这个看似矛盾的事实：尽管它们看起来很有秩序，但所有的经典定律，从牛顿力学，热力学到电磁学定律，最终都是建立在无序的基础上。想想一个气球：它充满了数万亿的空气分子，所有的空气分子都是随机运动的，相互之间和气球的表皮相撞。然而，当你把它们的运动加起来，并将其平均化，就得到了气体定律，它能够精确地预测到，比如说，当气球受热时，气球会膨胀一定的量。薛定谔将这种定律称为 "无序中的秩序"，以反映出宏观上的规律性取决于单个粒子层面的混沌和不可预测性。
  
 这和生命有什么关系呢？当时，基因的物理性质还很神秘。即便如此，人们还是知道它们必须以非凡的高保真度传下去：十亿分之一的误差都不到。此外，基因非常小。薛定谔坚持认为，基因复制的准确性无法依赖于古典世界的从无序到有序的规则。他提出，它们必须涉及到一个 "更复杂的有机分子"，一个 "每一个原子和每一组原子，都在其中扮演着单独的角色"。
  
 薛定谔将这些新奇的结构称为 "周期性晶体"。他断言，它们必须服从量子定律而不是经典定律，并进一步提出，基因突变可能是由晶体内的量子跳跃引起的。另外，生命的许多特征可能是基于一种新的物理原理。
  
 正如我们所看到的那样，在无生命的世界里，宏观秩序通常来自于分子的无序，秩序来自于无序。但薛定谔认为，我们在生命中发现的宏观秩序反映了别的东西：量子尺度的不可思议的秩序。他把这个推测性的新原理称为 "来自秩序的秩序"。
  
 他说的对吗？
  
 
  
  
 
  
 十年后，双螺旋的面纱被解开。基因原来是由单分子DNA组成的，它是一种核苷酸碱基（遗传字母）像珠子一样串成的分子链。这就是一个光周期晶体，名副其实。而且，正如薛定谔所预言的那样，每一组原子确实都扮演着独立的角色，甚至单个质子的位置(一种量子属性)决定了每一个遗传字母。在整个科学史上，没有什么比这更有预见性的预言了。你的眼睛的颜色、鼻子的形状，以及你的性格、智力或疾病倾向的各个方面，都是在量子层面上的编码。
  
 然而，在双螺旋发现之后，分子生物学仍然主要遵循古典物理学的概念。20世纪后半叶，这在分子生物学家和生物化学家们的研究中发挥了很好的作用，因为分子生物学家和生物化学家们把注意力集中在新陈代谢等事物上，而新陈代谢是由数量非常大的粒子在有序-无序原理下运行的产物。但是，随着21世纪生物学的注意力转向越来越小的系统，甚至是活细胞内的单个原子和分子，量子力学又一次让人感受到了它的存在。
  
 最近的实验表明，生命的一些最基本的过程确实依赖于量子世界出现的怪异现象。
  
 仅举几个例子。比如说嗅觉，传统的嗅觉理论认为，气味分子是通过鼻腔内的一种类似“锁与钥匙”的机制被嗅觉受体检测到的：分子插入受体并引发反应，就像钥匙开锁一样。这是一个很好的、直观的理论，但它未能解释某些令人费解的观察结果，例如，形状非常相似的分子往往闻到不同的气味，反之亦然。一种理论认为，受体可能是对分子振动的反应，而不是形状。这个理论在1996年得到了量子理论上的印证。英国生物物理学家卢卡斯·图灵提出，振动可能会促进电子的量子调谐来打开嗅觉锁。嗅觉的量子理论也许听起来很离谱，但最近出现了支持这一理论的证据：人们发现，果蝇可以分辨出形状完全相同，但同元素同位素不同的气味物质，这在没有量子力学的情况下是很难解释的。
  
 已知一些鸟类和其它动物通过探测地球上很弱的磁场来寻找方向，然而，它们这样做的机制一直是一个谜。研究人员很难看出如此微弱的磁场如何在动物体内产生信号。
  
 研究发现，欧洲知更鸟的定位系统与光有关，与传统的罗盘不同的是，它检测的是磁场线相对于地球表面的角度，而不是磁场线的方向。当时没有人知道这是为什么。20世纪70年代，德国化学家克劳斯·舒尔登发现，一些化学反应产生的粒子对，通过一种奇特的量子纠缠属性，相互保持着联系。纠缠允许遥远的粒子瞬间保持连接，无论它们之间的距离有多远：它们可以被抛向银河系的两端，但仍然保持神秘的相关性。
  
 量子纠缠是如此的诡异，以至于爱因斯坦本人，将其描述为 "远距离的诡异行动"。数百个实验已经证明，它是真实存在的。
  
 舒尔登发现，纠缠在一起的粒子对磁场的强度和方向都会异常敏感。他认为，鸟类的定位系统可能利用了量子纠缠粒子。
  
 几乎没有人把这个想法当真。但在2000年，舒尔登和他的学生托尔斯滕·里茨一起撰写了一篇很有影响的论文，展示了如何利用光来制作鸟眼中的量子五角星罗盘。2004年，里茨与著名的夫妻鸟类学家沃尔夫冈和罗斯威特莎·威尔茨科合作，他们共同发现了令人信服的实验证据，证明欧洲知更鸟确实在利用量子纠缠机制。
  
 我们知道，酶来是生命世界的工作“酵母”，它们加速化学反应，使原本需要数千年时间的化学反应在几秒钟内就能在活细胞内发生。酶是如何实现这种瞬间快速加速的一直是个谜。加州大学伯克利分校的朱迪思·克林曼和曼彻斯特大学的奈杰尔·斯克拉顿等人的研究表明，酶可以利用一种叫做 "隧道术 "的怪异量子技巧。简单来说，酶刺激了一种过程，在这个过程中，电子和质子从生化中的一个位置消失，然后瞬间在另一个位置上重新物质化，而不需要访问任何介于两者之间的地方，这是一种远程传输。
  
 酶是基本的东西，它制造了地球上每一个生物的每一个细胞中的每一个生物大分子。它们是生命的基本成分，比任何其他成分都重要，甚至比DNA还重要，因为有些细胞没有DNA就能生存。酶具有的量子效应帮助我们维持生命。
  
 
  
  
 
  
 让我们再来看看光合作用，这是地球上最重要的生化反应。它负责将光、空气、水和一些矿物质转化为草、树、谷物，最终变成这些吃植物的人。初始的事件是叶绿素分子捕捉光能。这些光能被转化为电能，然后被输送到一个叫做反应中心的生化工厂，在那里被利用来固定二氧化碳并转化为植物物质。这个能量运输过程一直以来都让研究人员着迷，因为它的效率非常高，接近100%。绿叶为什么能比我们最先进的技术更好地输送能量呢？
  
 美国加州大学伯克利分校的格雷厄姆·弗莱明的实验室十多年来一直在研究这个问题。他们使用一种叫做飞秒光谱的技术来研究这个问题。该团队用非常短的激光照射光合体，以发现光子到达反应中心的路径。早在2007年，该团队就研究了一种叫做FMO复合体的细菌系统，光子能量必须通过叶绿素分子群来寻找它的路径。它被认为是作为一种电粒子，从一个叶绿素分子跳到另一个，就像薛定谔的猫一样。研究人员在这一过程中发现了不同寻常的地方。由于缺乏任何导航，大多数光子能量应该漫无目的地跳到错误的方向，最终落入水中。然而，在进行光合作用的植物和细菌内部，几乎所有的光子能量包都会到达反应中心。
  
 当研究小组将激光照射到该系统时，他们观察到了一种非常奇特的光回波，这种光回波以节拍状的方式出现。这些量子跳动是一个信号，表明光子能量并没有采取单一的路线通过系统，而是利用量子相干性同时通过所有可能的路线。
  
 想象一下，如果在面对溪流的时候，薛定谔的猫不知怎么就把自己分成了许多相同的量子相干的猫，它们通过各种可能的路线跳过叶绿素巨石，寻找最快的路线。现在，科学家们已经在许多不同的光系统中检测到了量子跳动，包括菠菜等常规植物的光系统。
  
 如果这不能令您信服的话，让我们最后再来谈谈进化机制的本身。薛定谔指出，突变可能涉及一种量子跳变。核苷酸碱基在不同结构之间的切换，这个过程被称为 "同构化"，被认为涉及到量子调谐。1999年，英国物理学家吉姆·阿尔·卡哈里里认为，“质子隧穿”（质子在一个位点处的瞬时消失以及在相邻位点处由势垒隔开的相同质子的出现现象）可能是一种非常特殊的突变，这是适应性突变。提供了一种优势时，这种突变似乎会更频繁地发生。研究人员目前正在尝试寻找DNA中“质子隧穿”的实验证据。
  
 在所有这些令人费解的生命现象都具有量子效应。量子相干是一种无比微妙的现象，取决于那些调谐的粒子波。为了维持它，物理学家们通常必须将其系统封闭在近乎完美的真空中，并将其冷却到非常接近绝对零度的温度，以冻结任何热驱动的分子运动。分子振动是量子相干性的致命敌人。那么，生命是如何在温暖和潮湿的细胞中维持足够长的时间来支持其分子秩序，以便在细胞中执行其量子技巧的呢？这仍然是一个深奥的谜团。