中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物學的澎湃 引言 沒有量子力學，就不會有生命 在整個科學領域，量子力學是*具影響力的重要理論。沒有量子力學，我們就無法解釋世界是如何運轉的，比如：知更鳥長途遷徙時是如何通過微弱的地球磁場感知方向的？小丑魚是如何找到回家之路的？光合作用中能量的傳遞效率為什么那么高？對所有這些問題的解答，都離不開量子力學，離不開量子隧穿、量子相干性和量子糾纏。 動物大遷徙 萬物背后的量子真相 知更鳥是如何感知方向的 形形色色的量子現象 **部分 生命科學的前世今生 01 生命是什么 在很長一段時間里，人們認為生命體與非生命體的主要區別在于生命體內有一種特殊的“生命力”。后來，活力論漸漸讓位于機械論。但是，生命中仍有許許多多的待解之謎。盡管克雷格·文特爾成就非凡，他仍不能從零開始創造出生命，而*低級的微生物卻可以毫不費力地創造生命。薛定諤認為，生命是量子的，生命的秩序屬于“來自有序的有序”。 神奇的生命 活力論 機械論 生命科學新發現 量子力學，物理學的一場革命 量子生物學的興起 來自有序的有序 生命是量子的 02 酶是生命的引擎 酶是生命的引擎。所有的生命都依賴酶。我們體內的每一個細胞中都填充著數百甚至數千個這樣 的分子機器，無時無刻不在“幫助”細胞組裝和回收利用生物分子，使之持續不停地運轉下去。 這個過程，就是我們所說的“活著”。 生死有關的酶 蝌蚪的尾巴哪去了 一場精心編排的分子舞蹈 呼吸酶與呼吸作用 量子思維，認識酶的關鍵 來自量子世界的魔法 第二部分 量子世界中的生命 03 光合作用中的量子節拍 光合作用中能量從光子到反應中心的傳遞效率算得上是*高的，因為傳遞效率幾乎是100%。在 理想情況下，幾乎所有葉綠素分子吸收的能量都可以到達反應中心。如果能量不是取道*短進行傳遞，大部分乃至全部能量都會在傳遞中殆盡。 光合作用的能量為何能如此擅長尋找捷徑，一直以來都是生物學領域的一大謎題。 雙縫實驗，切中量子力學的內涵 脆弱的量子相干性 神奇的葉綠素 光合作用中的量子計算機 04 小丑魚“聞出”回家之路 氣味分子或溶解在唾液中，或飄散在空氣中，被位于舌頭或鼻腔頂部嗅覺上皮的感受器截獲，嗅 覺就此產生。“鎖鑰模型”認為，氣味分子嵌入嗅覺感受器就如同鑰匙插進了鑰匙孔。氣味與分 子振動頻率緊密相關，臭雞蛋的味道是78太赫! 對于振動頻率相同而氣味卻大不相同的個別現 象，“刷卡模型”給出了完美解釋。量子力學中的非彈性電子隧穿，是嗅覺產生的關鍵。 異常靈敏的嗅覺 我們是如何聞出味道的 形狀模型，一把鑰匙開一把鎖 振動模型，臭雞蛋味兒的分子振動頻率是78太赫茲 鼻子之爭 刷卡模型，嗅覺的量子計算 05 帝王蝶與知更鳥的地磁方向感 加拿大和墨西哥之間的帝王蝶以及北歐和北非之間的知更鳥，它們的遷徙究竟是依靠什么導航的呢？研究發現，觸角中的隱花色素校準了體內的生物鐘，讓帝王蝶在從加拿大飛往墨西哥的路上不會迷路。知更鳥的地磁感受器是一種磁傾角羅盤，能通過化學反應感受微弱的地磁。自旋單和三重態之間微妙的平衡性，讓鳥類可以利用地磁實現導航。 帝王蝶蝶遷徙之謎 知更鳥的指南針 量子自旋與幽靈般的超距作用 自由基和方向感 06 量子基因 DNA復制的錯誤率往往小于十億分之一，極高的復制精度，得以讓生命一代一代傳下去。但是， 如果遺傳密碼的復制過程一直完美無缺，生命便不可能進化，也不能應對種種挑戰。復制過程的 少許錯誤，能讓子代更好地適應環境并繁盛起來。 基因非常小，一定會受到量子規則的影響。但量子力學是否在基因突變中扮演了重要而直接的角色，還是一個待解之謎。 遺失的世界 遺傳，高精度的復制 突變，美麗的錯誤 基因編碼 基因突變是量子躍遷嗎 07 心智之謎 關于心智、意識究竟是如何工作的，目前被廣泛接受的理論是心智計算理論。如果一臺量子計算 機能夠維持300個量子位的相干性和糾纏態，它的計算能力幾乎相當于一臺整個宇宙那么大的 經典計算機！2011年，我國科學家僅用4個以原子自旋狀態作為編碼的量子位就成功對143 （13×11）完成了因數分解，居于世界領先水平。 意識是什么 思想是如何產生的 人腦就是量子計算機 微管理論 離子通道 08 生命的起源 弗雷德·霍伊爾說過，隨機化學過程創造出生命的概率，就像龍卷風吹過垃圾場，然后純屬意外地造出了一架大型客機。他的話生動形象地說明，我們今天所知的細胞生命體太過復雜有序，不可能起源于純粹的偶然，在此之前一定有更簡單的 自復制體。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。 米勒-尤里實驗 生命不是偶然的 RNA世界假說 沒有量子力學，就不會有生命 量子相干性，生命起源中的重要角色 結語 我們一定能創造出遵循量子理論的新生命 人造生命一定要遵循量子理論，因為沒有量子力學，就不會有生命。費曼說過:“凡是我做不出來的，就是我還不理解的。”如果有一天，人造生命真的成為現實，那將意味著我們終于理解了 生命的本質。我們將會看到:生命正駕馭著混沌之力，在經典世界與量子世界之間狹窄的邊緣上， 乘風前行！ 量子生物學的新發現 尋找生命的原動力 風暴邊緣上的生命 量子生物學的力量 從頭開始制造生命 理解生命，創造生命 后記：量子生命 譯者后記