读书笔记：神秘的量子生命
吉姆·艾尔·哈利的量子生物学的科普作品。写得很不错，能激发很多思考。当然，书名翻译得比较低档，其实原文是量子力学解读生命原理。
之前看薛定谔《生命是什么》时，并没有想到这个开创性的想法，可能因为当时看理论物理学的东西比较多，反而没有注意到其应用到生物学中的意义。
关于物理世界的层级问题，这个倒是很早以前就知道，如第一层级为牛顿力学，第二层级为热力学，第三层级就是量子力学。前两者都是大数量粒子总和的平均行为，即以兆计的粒子构成的物质，从整体上可以表现为普通物理学规律规定下的行为。但随着粒子数量减少，粒子行为的确定性就越来越小，这种行为概率，与粒子数量的平方根呈反比。随着确定性越来越小，所谓进入到微观粒子世界，物理规律就只能用量子力学，严格来说，就是薛定谔的波动力学方程和海森堡的概率矩阵来解释和预测了。
之所以可以用量子力学来解释生命问题，在于承载整个生命意义的物质只是很小的一个部分——基因，构成基因的分子原子数量是在1000万级以下的，在这个数量层面上，粒子的行为已经完全是概率级的了。
但这本书中提到的，薛定谔曾经指出的一个洞见，为什么这个1000万级以下的极少数分子及原子的行为，居然可以被放大到常规物理世界上去，构成整个生命界，使得特定矿物质的组合可以自行维持生存，并通过复制得以续存?如果说生命是个奇迹，那么这个奇迹在理论物理学上来讲，就是它是如何实现层面混淆的?即第三层级的量子力学世界，如何会干预到第一层级的牛顿力学世界?
其原因和机理还没有办法揭示，不过，生命的性质和意义都归结于基因这个事实，倒是说明，生命延续的核心，被原子层面的微观粒子行为所决定，而目前能较好描述微观粒子行为的，只有量子力学。
所有生命活动，都取决于构成细胞的分子和原子层面的粒子交换，比如说光合作用，生物电，这两者分别决定了植物的核心活动和动物的核心活动，然而至今生物学和医学都无法揭示出这两个活动的本质。
光合作用涉及到叶绿素分子对光子的捕捉，以及光子捕捉之后以质子交换作用改变二氧化碳的结构，使碳氧化学键被分离解构，把碳变成糖，释放氧分子。这个过程中，电子、质子是如何突破能量壁垒实现交换的，经典物理学无法解释——只能说是从光获取能量，将二氧化碳实现转化，而无法再细说光的能量是如何作用的。正因为二氧化碳的变化，到微观粒子本质，就是粒子位置的变化，这个位置的变化，涉及能量的吸收和辐射——每个电子都有特定的能级，不能自动超越。
作者于是给出了基于量子力学的“量子隧穿”效应解释，这个效应在微观粒子层面是存在，并且被动态同位素检验法所验证过的。即电子或质子，可以通过隧穿效应，在较低的能级实现位移，穿透本来的能量壁垒，俗话说就是从A到B，无须经过A和B之间的路径，直接从A处消失，出现在B处。这种方式就是通过德布罗意的物质波的方式绕过壁垒，记得电子也可能是一种波吗?光子给予叶绿素分子的能量，实际上更类似一种催化剂，降低了二氧化碳分子和原子中的能量壁垒，使得相关的质子和电子可以通过隧穿效应实现移动，改变电位从而改变结构。
生物电也是同样道理。作者解释生物电位的方法，是从解读生物酶的作用开始。
酶是一切动物体内生命活动的关键，它决定各类生化反应以怎样的速度进行(记住，速度是关键)。比如我们的肠胃对蛋白质的消化作用，如果放在自然界，蛋白质要分解成各种糖类，可能需要几十年甚至上百年，但在消化酶的作用下，可以在一个小时内就完成。那么酶是怎样工作的?深入到分子和原子层面，麻烦就来了，消化作用，或者说是自体消融作用——如蝌蚪如何将尾巴消融掉，本质上和光合作用一样，也是获取能量实现对原有结构的解构，把原本稳固的化学键打破，形成新的搭配。这种化学键的核心无非就是电子、质子的相互吸引关系。生物电位是通过电子的交换移动实现的，但相对于电子和质子的大小，动物肢体的分子间隙实在是太大了，受到能量壁垒的影响，电子和质子几乎是没有实现分子间移动的可能——谁把它推出去，谁又把它吸收呢?作者认为，非“量子隧穿”不能解释这个过程。分子之间的电子和质子，本来都处于稳定位态，由于酶的作用，降低了能量壁垒，使得电子和质子可以在分子间实现隧穿，电子的移动形成了电位差，电位差则产生了分子间的生物电，进而一个个分子传递下去。这个所谓的产生和传递，实际上都是量子力学的作用。
作者还进一步解释了基因的双螺旋结构复制过程，同样也涉及到碱基链条如何断裂，如何生成新的配对的问题，这些生物现象到了微观层面，都表现为粒子位置的变化。由于基因复制过程的复杂，又引入了“量子纠缠”概念。量子纠缠是量子力学里最难以让人理解，也最遭受非难的一个地方，即一对反向自旋的粒子，在被分隔开后，能够以超越光速的速度“传递信息”，一个粒子被观测为上旋后，另一个粒子立刻就被确定为下旋。
这里需要进一步解释，可能有人会说，一双手套，分隔开来，我只要看到一个手套是左手的，也可以不用看就知道另一个手套是右手的。这是在宏观世界，看到的既定事实。在微观粒子世界，一个粒子在被观测到之前，是什么状态，只有概率因素，是没有准确唯一状态的，也就是说，粒子的状态只有在被观测的那一瞬被决定。这一现象，已经被诸多实验证明了，哪怕没有观测者，只要有观测设备，原子、电子和质子的行为状态就会被干扰，在量子力学中叫“退相干”，即原有的各种状态可能性叠加状态，被干扰后，被确定为唯一的一个状态。
作者用这种“纠缠”状态，来解释基因如何发生突变。其实，达尔文学说，以及孟德尔学说，都有一个不满意的地方就是突变是如何产生的。按照既定的遗传学说，突变的概率是一样的，即突变时刻都在发生，是自然选择的作用，选择了哪些突变能够存续下来。而实际的情况却是，往往环境的改变，很快就会促成一个种群的基因改变，这个时间并不需要多长，也就是说，突变的概率可能是不一样的。尤其是一些果蝇、细菌的培养实验证明了应对环境变化的突变可以加速。
传统的遗传学说无法解释这种现象。作者认为，“量子纠缠”可以解释这种情况——剧烈改变的环境，实际上就充当了一个“观测者”的作用，这个观测者，以最快的速度推动了构成基因的原子特定状态的“退相干”实现。
当然，这些学说还只是一些理论设想，只有一些支离破碎的实验能够间接证明。
试图用量子理论解释的，还有鸟类和鱼类具有的方向定位能力。至今也没有确定的解释，究竟鸽子是如何定向飞行的，而鲑鱼又是凭什么洄游的。公认的当然有地球磁场的作用，而实际上，地磁的强度很小，几乎是很难从物理学意义上起到刺激神经反应的作用。作者从量子力学角度解释了磁场对于微观粒子的作用——并非通过磁场强度，而是磁场变化频率——即磁场波动来影响，这种波动可以改变原子的叠加状态，从杂乱无章的自旋，变为整体一致的自旋——类似核磁共振成像的原理。在鸟类那里，这种微观粒子的作用可能存在于其眼中——鸟类可能可以看到所谓的磁力线方向。
从这里我才意识到，万有引力与地球磁场可是完全不同的两码事。地球磁场的起因其实到现在也没有搞清楚，一般认为是地核内部的熔岩流动，带动其中的金属成分运动，产生了电流，从而电流再交替产生磁场。
比较吸引我的，还有一个书中的题外话，在南极洲的极寒点(非南极点)和平站，各国科学家们成年累月地开展一项钻探活动。因为不同深度的冰层，揭示了不同年代的气候特征和地质活动。在和平站钻探到冰盖下约4千米深度时，发现了一个奇怪的东西，这个东西后来也为卫星遥感所证实——在和平站下面4千米深度，冰封着一个液态的湖泊，这个湖泊面积约十多平方公里，平均深度大约有500余米。这个湖泊是40余万年前的湖泊，根据压力和地热的估计，湖泊依然保持着正常液态。由此引发了一个问题，这个与世隔绝的湖水中，会有什么样的生命?
科研人员后来继续钻探，为了避免外部生物诸如细菌这类的，会随钻头一同进入湖泊，钻探到湖泊顶端一百余米时停止，取上去冰样。根据大家推断，这个层面的冰应该已经不是冰盖的组成部分，而是湖泊水的结冰物了。通过对结冰物的分析，其中有不少湖泊中生物的DNA，发现这些生物与深海沟和深海火山口生物的DNA有类似处，也就是说，至少湖泊中有这些极端环境中的生物。
类似的，后来在木卫二上也发现了冰层下的湖泊或者海洋。可能?
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