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1、生命在於量子,撰文 Mathieu Grousson 編譯 全志鋼,物理學家在 DNA、光合作用、生物酶等方面的新發現 生物學家們早己廣泛證明：生命是化學反應的奇迹。但這並不是真相的全部！因爲最新的研究表明，生命同樣還會從量子效應中汲取力量。量子效應甚至可能是DNA以及光合作用的奧秘所在。生命在多大程度上是“量子的”？這正是我們要探討的問題。,生命是甚麽？任何一位元生物學家都會回答你說，生命的存在至少需要三個必要因素自我補給能量的能力，保持活性的能力，以及繁殖能力。他還會告訴你，生命的這三大支柱均會受到某些化學作用的支配，而科學家們經過多年探索已經對這些化學作用了如指掌，它們分別是：幫助植物從
2、太陽的熱量中提取能量的光合作用；催化細胞內部反應的生物酶 還有負責攜帶遺傳信息的DNA分子。不過，如果非要打破砂鍋問到底的話，生物學家也只好承認，生物化學機制並不能揭開生命的所有奧秘。儘管分子生物學一直在努力，但生命的某些方面依然是未解之謎。,比如，光合作用何以具有如此驚人的效率，能夠使植物將太陽的熱量幾乎全部轉換爲自身所需的能量。這樣神奇的效率，令生物學家都無法解釋！再比如，DNA也讓生物學家們碰了一鼻子灰，這種代代相傳的分子何以具備如此卓越的穩定性？這也仍然是個謎。至於生物酶的活性，它在細胞內部的效率同樣令研究者們無言以對。,事實上，生物化學研究並未走到山窮水盡的地步，只是問題的答案可能本
3、來就不屬於它。因爲，生命或許並不純然是化學的近年來，已經有一系列迹象表明：如果不求助於一些與目前生物學研究所使用的法則根本不同的法則，就不可能對生命的某些自然進程 包括那些最爲關鍵的機制 作出全面的描述而這些奇異的法則恰是主宰原子等基本粒子的法則。也就是說，生命不僅是化學的，可能同時也是量子的！,量子物理的回答 且以光合作用爲例。最近有實驗指出，這種機制的效率可能來自於量子力學中最離奇的現象之一 量子態疊加。這一現象使一個物體能夠同時呈現多種狀態，或者說可以使一隻貓同時處於生與死兩種狀態。而生物酶催化化學反應的能力則可能是一種奇異的“隧道效應”的結果，這種效應能使物體穿越本來無法逾越的障礙。,
4、至於生物學領域的分子之王DNA的穩定性，則可能是量子糾纏這項純粹的量子機制存在的佐證。量子糾纏是一種能夠將兩個物體聯繫起來的神秘能力，對其中一個物體實施的任何行爲都會瞬間改變另一個物體的屬性，無論它們之間相距有多遠。此外，生物的其他一些能力，如嗅覺或候鳥的方向感，可能也源於量子機制。,最近出現的基礎物理學染指生物學的現象確實令人感到意外。因爲，自從1953年DNA被發現以來，這一切似乎已成定論 生命的奧秘完全是化學的事。隨便翻開一本生物學書籍就能證實這一點，細胞內部的各種機制統統被解釋爲一系列分子之間的反應。DNA也好，蛋白質也好，生物酶也好生命的所有演員都長得一個模樣，都是被一根根棍子連在一
5、起的一個個小圓球。而賦予生物機體活力的各種生理機制，則被歸結爲這些原子組合在一起發生的相互作用、形態變化和屬性改變。,話雖如此，但生物學家其實明白量子法則必定是生物化學的基礎。實際上，我們的每一個細胞都得益於物質的穩定性而這種穩定性只能在量子範疇內進行解釋。因爲量子決定了哪些化學鍵是被許可的以及它們的強度如何。不過，就像負責公共建設的工程師沒有必要爲了修橋築路而去鑽研量子力學一樣，生物學家也曾堅信自己不需要理會這套形式化理論體系。,物理學對生物學的大舉干預確實令人意外 與生物無關的，恰恰是該理論的奠基者之一在1944年出版的預言性著作生命是什麽？（What is life？）一書中，埃爾溫薛定
6、諤（Erwin Schrodinger）指出，生物學描述的層面應該永遠停留在分子級別上。,不過，這個教條似乎就要被動搖了，而這又提出一個新的謎題：是甚麽神奇的力量既使量子效應能夠出現在生命核心之中，卻又令這些主宰著無限小世界的奇異法則無法應用于我們的現實層面 可以同時處於既生又死狀態的，只可能是躲在盒子裏的量子貓，而不可能是躺在籃子裏正被我們輕輕撫摸的貓！要揭開謎底，生物學家和物理學家就必須聯起手來。這樣的組合前所未有，又令人歎爲觀止，無疑將爲生命這部巨著書寫一個全新的篇章。,開發一套能夠以幾近100%的效率實現對太陽能的捕獲、傳輸和轉換的系統，這是令多少工程師夢寐以求的事情！但對於光伏板生産
7、商來說，這個夢想遙不可及，因爲他們最好的産品的光電轉換效率也才勉強達到20%。然而，對於植物和許許多多單細胞生物機體來說，實現這個夢想就像家常便飯一樣輕而易舉，因爲它們能夠進行光合作用。,分身有術的光能 30多億年前出現的這種生物能量機制改變了世界的面貌。這種將光能轉化爲化學能量的能力使生物機體得以利用我們這顆行星上的最佳能源 陽光 來打造自己的有機分子。於是，生命才得以在陸地和水域擴張。可是，到底是什麽奧妙使這種機制具有如此令人瞠目的效率？科學家長期以來對這種大自然的造化百思不得其解，現在他們開始想到答案可能隱藏在量子力學最大的一個奇異現象之中。要知道，量子物體具備同時借道幾條道路的能力，這
8、就能夠對光能向細胞工廠的傳輸實現優化。,要理解這一點，就必須回到光合作用的原理上來。在某些特定的細胞中，光能（光子）被一些呈觸角狀網路排列的感光分子（葉綠素或胡蘿蔔素）捕獲，當光子擊中一個此類分子時，就會把自己的能量以電子激發的形式傳遞給後者，電子激發於是沿著觸角網路一直來到一個所謂的“反應”中心，在那裏，電子被釋放出來爲生物的化學機制提供能量。可是，該如何解釋光子的能量能夠幾乎毫無損耗地到達反應中心而使光合作用當仁不讓地成爲世界上最高效的能量轉換器這一事實呢？按照標準的看法，電子激發在這一網路中的傳播應該是隨機的，每一步都有可能使其部分能量以熱量或振動的形式損耗掉。,直到2007年，這個問題
9、的答案才開始浮現出來：美國伯克利大學的格雷厄姆弗萊明（Graham Fleming）及其團隊分離出了存在於某些葉綠素細菌身上包含7個葉綠素分子的所謂的FMO蛋白（全稱爲Fenna-Matthews-Olson），並對其進行了光激發。結果他們驚喜地發現：電子激發並非慌不擇路地在蛋白質中盲目行進，乃至錯過最短的路線，而是會一個分作數個，同時沿所有可能的路線前進。這是魔術嗎？不，是量子物理！,這一現象是量子物理學上一項最具象徵性的實驗 干涉實驗 的完美寫照。瑞士日內瓦大學物理系的尼古拉吉贊（Nicolas Gisin）介紹說“在這項實驗中，粒子的表現就好像具有分身術一樣，能夠同時穿過屏障上的兩道縫隙
10、。”而量子的奇異法則也證實了這一點：在某些條件下，物體可以同時處於不同的狀態之中。這叫作量子態“疊加”，正是它使得薛定諤那只著名的關在盒子裏的“貓”得以在物理學家的方程式中同時呈現既死又生的狀態，令人們錯愕不已。同樣，也是這種現象使同一個粒子能夠同時走在不同的道路上。,就連在常溫下，科學家們也觀察到了這種奇異的分身術 通過一些非常詳盡的方案，物理學家才能實現這種疊加。難道隨便一片樹葉、隨便一團海藻在進行光合作用時都能施展這一奇幻的量子魔術？格雷厄姆弗萊明的實驗尚不能證實這一點，因爲該實驗是在一個極其不適宜生命存在的溫度下進行的 -196。 但事情很快就進一步明晰起來。2010年初，加拿大多倫多
11、大學的格雷格斯科爾斯（Greg Scholes）成功地進行了一次類似弗萊明的實驗，不同之處是他的實驗在常溫下進行。,在對兩個擁有八個感光分子的單細胞海藻的兩個蛋白質進行刺激時，他觀察到了同樣的量子現象。“還需要對這一結果加以驗證”，他指出“但幾乎可以肯定我們觀察到的是量子相干效應。”這恰恰是一種典型的疊加態。更妙的是，格雷格斯科爾斯的實驗還說明這種效應持續的時間出奇地長：接近400飛秒（1飛秒 = 10-15秒），相當於在單個分子上觀察到的相干效應持續時間的4倍。然而，量子力學家都知道，一個物理系統越大，就越會受到環境波動的影響，從而使脆弱的量子態遭到破壞，這叫作消相干過程。,正是這種消相干過
12、程使量子效應無法在宏觀層面上被感知。因此，我們只好設想是大自然爲多倫多的科學家研究的光合作用蛋白質選擇了一種非常獨特的構造。一種能夠延長疊加態的構造！“這就相當於說，那些不同的感光分子能夠保護自己不受消相干過程的影響。”德國烏爾姆大學理論物理研究所的陳偉彬（Alex Chin）假設道。它們是如何做到的呢？也許它們是在各自受到環境干擾作用下通過一齊擺動做到的，即便它們各自的環境各不相同。這一假設爲那些對量子仿生學充滿興趣的工程師們，尤其是爲太陽能電板的製造商們，展現了美好的前景。,大自然的擇優汰劣 如何理解這種量子造物的意義呢？其實，大自然從來不會白費工夫，一項機制要被進化選中，必然具有一定的優
13、點。就這一點而言，我們同樣應該到量子理論中去尋找答案。多位理論學家認為，弗萊明和斯科爾斯觀察到的現象可能是所謂“量子隨機漫步”演算法的實際應用，該演算法所描述的是一種最為有效的搜尋道路的辦法。一個量子疊加態的粒子可以同時身處多處，因而比只能盲目移動的一個經典粒子能夠更快地離開它原來的位置。而這種“量子隨機漫步”可能正是光合作用完美效率的關鍵所在。,它或許可以解釋電子激發何以能夠如此高效地在觸角網絡中找到通往反應中心的路線。儘管現在要斷言科學家已然揭開自然光合作用完美效率之謎尚為時過早，但這一假設卻越來越顯得具有說服力。看來，大自然為了盡可能地利用太陽的能量，想方設法地把自己變成了一位高明的量子
14、工程師。 要是沒有，生命的化學機制就會陷入停滯！因為生物機體其實就是一些化學反應器，在其中，有數不清的分子時時刻刻地通過原子或化學成分的交換而發生轉變。而對於生命的這種如火如荼的活動是不可或缺的。,儘管它們在化學進程中不會發生變化，但它們的活動使反應物得以逾越橫在初始狀態與最終狀態之間的那道能量樊篱，同時大大加快反應的速度。這有一點類似於只要向一位自行車手略施援助，就能使他鼓起通過障礙的勇氣一樣。而現在，生化學家們已經確信，它的功勞有一部分來自於一種純粹的量子效應，是它使得粒子能夠穿牆破壁，即隧道效應。,難以想象網球在撞上牆壁時會穿過它，不過在微觀世界中，所有的物體都有這個本領。這種奇異的隧道
15、效應源於量子粒子的波動性質：經典的點粒子無法跳越過太高的屏障，而量子粒子因為像波一樣能夠在空間中無限擴展，所以完全有可能來到一個原本不可逾越的障礙的背後。這便是神奇的隧道效應。量子微粒并非在真正意義上穿過了牆壁，而是真的有本事出現在另一面盡管荒誕不經，這一效應目前已經得到承認并被掌握。物理學家甚至利用這一原理開發了一款量子隧穿顯微鏡，其分辨率之高可以對比原子還小的面積進行觀測。,霎時間的電子轉移 然而，長期以來，沒有人想到這種效應會在激活生物細胞的化學反應中發揮關鍵作用。直到1989年，美國伯克利大學的茱迪克林曼（Judith Klinman）進行的一次觀測之後，人們才開始想到這一點。當時，這
16、位美國化學家正在研究乙醇脫氧(ADH)的功能。這種存在於肝臟等器官中，其作用是對酒精分子進行分解，迫使它們排出一個氫離子，也就是一個質子，即構成原子核的正電粒子。,通過對該反應所依賴的溫度及其他條件參數的測定，她得出了這樣一個結論：一切跡象都表明這個質子是通過隧道效應進行轉移的。這一個假設能夠解釋何以具有加速分子間反應的能力 它們在這個化學廚房里可能扮演著手腳極為麻利的傳菜員的角色。設想一下，有兩個分子要進行氫離子的交換(這是生物化學機制中最常見的反應)，如果這兩個分子恰好離相關的不遠，後者就能奇蹟般地為它們的交換提供便利。通過隧道效應，第一個分子交給的質子會被迅即轉交給第二個分子。於是這一反應便在霎時間實現了！,全文完,
