神祕的量子生命

《神祕的量子生命》是一部跨界科普佳作，由物理學家吉姆·艾爾-哈利利與生物學家約翰喬·麥克法登聯袂創作，爲讀者展現了“量子”視角下的生命全貌。 1. 寫作目的與核心命題 作者提出：若想真正理解生命爲何能逆勢而行，在宏觀世界中保持高度有序與明確目的性，就必須深入量子層面探尋答案。 2. 物理世界的三層結構 - 宏觀層：由牛頓力學主導，呈現出可見的生命形態與行爲。 - 熱力學層：受分子無序運動與熵增原則支配，管控能量轉換；生命通過持續輸入自由能、排出熵來維繫自身的高度有序。 - 量子層：原子與粒子遵循量子規則，量子相干、隧穿與糾纏等現象在酶促反應、光合作用、嗅覺及鳥類磁感應等過程中發揮着關鍵作用。 3. 生命的三重角色 - 宏觀層告訴我們“生命是什麼”。 - 熱力學層解釋“生命如何維持”。 - 量子層揭示“爲何能如此”：分子尺度的量子效應提供了精準的調控與信息處理能力，讓生命得以在經典噪聲中保持有序。 4. 量子生物學的實證篇章 - 光合作用：植物藉助量子搜索與相干性，將光能轉化爲化學能，能量傳遞效率幾乎達到100%。 - 酶促反應：質子隧穿與振動激勵使得生化反應速度遠超經典力學的預測。 - 嗅覺與磁感應：氣味分子的振動頻率與量子隧穿相關；知更鳥等遷徙動物依靠磁場感知方向。 - 基因複製與突變：DNA複製中的量子效應，可能爲自然選擇提供新的變異維度。 - 生命與技術：量子生物學的原理正爲量子計算、藥物設計、清潔能源等前沿領域帶來啓發。 5. 量子相干與“生命邊緣” 生命能夠在宏觀尺度上維持量子相干，作者將這一現象比作“在風暴中划船”——既抵抗退相干，又主動利用它來提升信息處理與能量轉換的效率。 6. 結語與展望 書中以費曼的名言“凡我做不出來的，就是我還不理解的”收尾，暗示未來人工生命的構建或將驗證我們是否真正理解了生命的量子本質。作者最終給出的框架是：生命是宇宙中少數能夠主動運用量子“魔法”的宏觀系統，這正是它的神祕之處。

本書翻譯內容十分精彩。自從2004年自然雜誌發表了，一項“關於知更鳥的研究，爲“鳥類利用量子糾纏來進行環球導航”的理論提供了第一份實驗證據，它像開了實驗量子生物學的先河。儘管1932年，《量子力學與生物學和心理學的根本問題》（Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie）的論文，被學者們視爲“量子生物學的第一篇科學論文”。 這本書名也真好，像標題黨一樣吸引人。如同書中描述，“量子隧穿和量子疊加態，它們都既存在於太陽的核心，也存在於電子設備中，比如電子顯微鏡和核磁共振成像掃描儀之中。那麼，發現大批量子現象在生物學中又有什麼值得我們大驚小怪的呢”？ 例如，在仿生學或者詮釋光合作用的機制中，及勝過電子或者量子計算機網絡之大腦神經元系統網絡，還有在詮釋人的意思，靈魂的本質是什麼等時，都不能不想到……。特別“意識是一種量子力學現象。這個觀點最著名的支持者是牛津大學的數學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）。他在1989年出版的著作《皇帝的新腦》（The Emperor’s New Mind）裏提出，人類的大腦就是量子計算機”。神經元細胞膜上的離子通道，就是大腦中存在量子力學現象的可能位置。 在發現發現了DNA分子的雙螺旋結構之前，薛定諤曾經認爲，“生命是量子的，生命的秩序屬於“來自有序的有序””。並且，在發現DNA 之後，科學家總體上心安理得地忽視了在數學上具有挑戰性的量子世界。因此，薛此定義的確像有很強量子的味道，記得一位大量子物理學家費曼的名言說：沒有人真知道量子……。可喜的是，現在生物學領域，“胡漢三又回來了”！ 例如，書中介紹：“提高身體的溫度會增加分子衝撞的能量和速度，因此，退相干現象在較高的溫度下更爲常見。但你可別以爲“較高的溫度”指的是我們認爲“熱”的溫度。事實上，即使在常溫下，退相干也無時無刻不在發生。這就是爲什麼“溫熱的生命體可以保持微妙的量子狀態”至少在一開始時讓人覺得不合情理的原因。只有當物體溫度降到接近絕對零度——-273℃——隨機分子運動纔會完全靜止，並使退相干現象消失，量子力學的作用纔會顯現出來”。 所以，上文剛引用過薛定諤的話，現在我們明白了他的意思。此大物理學家的行話是，“生命設法按照一套特殊的規則行事，而這套規則通常只有在比任何生物都低273℃左右的環境中才能運行。……”。 書中還用比較多篇幅，討論膠原蛋白鏈與一個水分子。這是酶的活化中心（active site）……底物與酶之間的共用電子對，或者說用量子思維中量子隧穿效應，移動質子，動態同位素效應等，來認識酶的關鍵。因爲“酶是生命的引擎，這個星球上每一個活細胞中的每一個分子都是由酶催化合成的。有益的震盪可能對維持我們的生命至關重要”。 當然書中還有不少分析，像與人感覺系統有關分子傳遞有關研究等，例如，解釋羣體生物學中動物的遷移中導航網絡圖（感知地磁場的能力及自由基和方向感）等，在此就不一一透露劇情了。 另外，人基因組學中，基因總數非常小，因此作者認爲它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？這對於經典遺傳學應該也是一種非常新的思維方式，因爲它認爲基因突變本質是量子躍遷規律保證。 另外，現代醫學研究發展，疾病預防一定重於治療。對於疾病的認識也從 疾病（表現型）P = G（基因型）+E（環境）+ G*E（G與E的相互作用）發展到：P=G+E+G*E+e。其中e 就是與線粒體能量有關。這應該是生命科學認識上革命性突破！因爲有關基因突變在不同組織，器官中的病變與線粒體關係，構成治療方案之革命。其中對於小小e 的詮釋、可以有熱力學到量子力學的昇華，這爲新生命科學開了一扇大門。 書中金句摘要：1. “量子範疇內發生的變化引起宏觀世界的效應是生命獨有的特徵，正是生命宏觀現象對量子世界的敏感性，讓諸如隧穿、相干性和糾纏態等量子現象造就了宏觀的我們”。 2. “生命就像一臺複雜的分子機器。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同合作，而這些生化分子的性質則多數建立在諸如隧穿、相干性和糾纏態等量子現象上”。 3. “量子力學就是原初生命體中缺失部分，它也是合成真正生命的關鍵。量子力學的介入不僅提供一種革命性的技術，同時也爲那個古老問題（生命是什麼）提供了新的洞見”。 本書儘管沒有像其它教科書一樣，來解釋量子生物學的原理，研究方法及其技術開發之應用等方面。但是，它從經典哲學，生物學等之角度，討論並且重新定義思考生命的本質。它將對其思維方式引進量子信息學思考範疇。特別是，在可見光世界及生命世界的認識中，就可以不再只侷限於，物質的或者精神的世界之二元論的框架中。它一定還可以是量子的或者說是“Logos”的三個維度。例如，對於碳水化合物之遺傳密碼本質的詮釋可能就將會是如此？ 今天，正好趕上今年第一次Manchester String Quartet（MSQ）在NIH的義演。演奏的是Schubert’s Opus 114”Trout”。當其鋼琴與小提琴熱情對話，加上中，大提琴的烘托，將一個不復雜音樂結構，激發出人十分興奮的美感。不能不想到：音樂如何在大腦電磁場中能夠影響神經元的興奮，給人帶來美妙的思緒萬千，同時還在作曲家與聽衆之間產生心靈感應？它一定只能是有量子規律保證？在美及平安，喜樂，感恩中，不能不思想：人生之“道路，真理，生命”的源泉？

“在量子世界裏，粒子可以同時出現在兩個地方；在人生中，我們也能同時存在於‘曾經的自己’與‘想成爲的人’之間。”本書提醒我們：不確定並非失敗，而是蛻變的起點。當你擁抱屬於自己的“量子可能性”，每一次坍塌都將化爲新生。

《神祕的量子生命》是世界上第一本介紹量子生物學的專著。作者爲英國量子生物學家吉姆·艾爾－哈利利和約翰喬·麥克法登，其中吉姆·艾爾－哈利利是世界上最有影響力的量子生物學家（憑一己之力創建了兩個新學科）。量子生物學融合了量子物理、生物化學和生物學，是一本前沿交叉學科，也是一門飛速發展的學科。 通常認爲，宇宙的起源、生命的起源和意識的起源是科學三大謎題。量子生物學提出了非常獨特的學術視角，也許會解答生命起源和意識起源的謎題。本書把量子力學引入有機生命、生命進化和繁衍分裂等關於生命的各個環節，詳細揭示了在量子級別上，生命現象的一些重要過程。緣起於作者之一麥克法登認爲某些種類的細菌發生突變的邏輯離不開量子力學，因此促成了與量子力學家艾爾-哈利利的合作與著述。 若沒有足夠的生物化學基礎和量子力學，本書讀起來真是喫力。它以物理學視角看待生命孕育過程，雖然作者盡力避開艱澀公式、化學反應、計算與模型等純自然科學學術理論表述，而是從日常生命現象入手，從量子視角進行深入淺出的詮釋，運用生動比喻，使非專業讀者也能領略生命活動中量子世界的奇妙，但它讀起來依舊又深奧又神祕。從常見的自然現象入手，知更鳥和帝王蝶的遷徙導航、植物中高效的光合作用、還有酶的工作原理、人類心智之謎、遺傳的高精度和變異的隨機性等，以及一些經典的物理現象或試驗，如雙縫實驗，氧化現象等。作者以量子世界的視角爲我們逐個解讀，最終發現“量子隧穿”、“量子糾纏”、“量子疊加態”等量子現象幾乎在所有生命活動中都扮演了關鍵角色。 發熱體表面的物質在以一定的離散頻率振動，導致熱能只能通過微小而離散的能量團進行輻射，而且這些能量團不可以再分，被稱爲“量子”。量子糾纏是指，曾經在一起的粒子，無論分開多麼遙遠的距離，都能保持瞬時的、近乎魔法般的聯繫（但量子糾纏不能用來解釋或證實心靈感應等超自然現象，作者一再強調這一點）。 量子力學構築了大部分現代物理學與化學的基石，揭示了宇宙的基本構成單位，並向人類展現了一幅非凡的宇宙全景。雖然人們談到量子力學，總是用“怪異”來形容，但其理論的數學框架邏輯嚴謹，能夠準確描述微觀世界中基本粒子和基本力的性質，離散能級、波粒二象性、相干性、糾纏態以及隧穿並不只是存在於科學家們考究的實驗室裏，也不僅僅是科學家故弄玄虛的概念。量子力學研究的對象是物理學世界的基石，過去半個多世紀多數的技術進步都是以量子力學的數學規則爲核心的，比如核磁共振成像掃描儀。 各種量子力學現象同時具有多種狀態的疊加態、精心排列的量子系統等被成爲“量子相干性”；而當相干性喪失，量子現象變爲經典現象的物理過程叫做“退相干”。量子精彩的獨自舞蹈，當有觀衆圍觀（測量）時，就立刻坍塌到平庸（經典力學狀態）。 生命，在一個特殊的位置——量子世界與經典世界的邊緣上，維持着奇異的量子特性。生命的神奇在於擁有萬千形態與無盡功能，但其構成元素，與構成地球岩石和火星隕石的原子幾乎相同。究竟是什麼將岩石中沒有活動能力的原子轉化爲如此鮮活的生命？這是科學界最宏大的問題，也是本書的核心。人類的技術至今從未能用完全非生命的物質創造出生命，但即使地球上最簡單的微生物也能創造出生命，所以作者認爲我們忽略了一些重要元素和相關知識，並且認爲有一部分生命之謎的問題可以在量子力學的世界中得到解答。 接下來，作者對一個個謎題做出自己的理解說明，有關每個活細胞內生化反應的極度複雜性；有關死亡等等。從薛定諤的“來自有序的有序”開始，一些思維超前的物理學家，就認爲生命是量子的，因爲在已知的宇宙中，沒有任何一種宏觀非生命物體能像生命這樣，結構精細而微小敏感，這樣微觀的層次裏，量子力學取代了經典定律，統領一切。 以酶爲例，人體內，酶是生命的引擎，在消化、呼吸和新陳代謝中有着重要作用，目前很多科學家認爲，量子力學至少在某些酶的作用中起着關鍵作用，讓它像催化劑一樣降低反應物需要翻越的能量壁壘，酶在分子內或分子間操控單個的原子、質子和電子，加速生命必須的反應。再如，關於遺傳，DNA雙螺旋結構中質子的位置決定了生命延續的故事，而量子力學才能決定質子的位置。還有，候鳥體內的地磁指南針本質，也許就是當微小的能量作用於極其精細的平衡系統時，同樣可以達到決定結果的關鍵作用……以及綠葉內的光合作用、神奇的嗅覺受體等自然現象，其實都離不開量子力學。本書的最後段落，着重探討了量子力學是否在意識的形成過程中扮演了重要角色？綜合前人理論和自己的想法，作者認爲答案是肯定的：意識可能不是離散思維的綜合，而是大腦電磁場聯合影響下的體現，電磁場爲捆綁問題的解決以及意識的形成提供了可能。 生命就像複雜的分子機器。其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同合作，而這些生化分子的性質則多數建立在諸如隧穿、相干性和糾纏態等量子現象上。正如費曼所說“凡是我們做不出來的，就是我們還不理解的。”雖然當前的技術水平無法讓我們判斷：爲什麼生命能夠駕馭量子力學現象，而熱力學遠遠無法理解生命現象？雖然作者也承認有些解答目前還只是推測……但，量子理論的洞見的確會讓我們更好的回答人類的終極問題之一：生命是什麼。 就閱讀體驗而言，能體會作者的良苦用心。當讀物理學術語和理論大段篇幅之後，難免覺得乏味枯燥時，作者就會引用一個特別有趣的比喻或者科學史上的經典案例，把懵懂的讀者從高冷的知識海洋中拯救出來，讓人有信心繼續讀下去。其次，本書中所提及的量子物理實驗涵蓋範圍大，從宏觀到微觀，從植物到動物，數據詳實，描述周全；再者，本書在引用傳統學術概念的同時，會加以進一步準確的解釋，由此可見二位作者在自然科學知識體系方面掌握得既全面又專業，所以本學渣硬着頭皮讀到最後，但讀到最後又有點兒留戀。希望以後能讀到更多有趣又專業的量子生物學書籍。

遇事不決，量子力學。神神叨叨一整本書，作者的思路就是：什麼，你們說生物學裏沒有量子力學？那我把生物過程從器官組織一路放大到細胞，分子，最後是原子、亞原子水平，嘿你看，量子力學不就出現了麼！多種生物活動可能通過參與其中的亞原子的量子相干性、隧穿和糾纏態來實現，雖然大多數論證還停留在推測階段，但是，這不是量子力學嘛！

何爲生命？記得早些年讀過一篇文章，讓我開了天眼。文章說，生命是什麼？生命是碳原子嗎？你身體裏的碳原子和眼前桌子裏的碳原子沒有任何區別，是相同的材料。 所以生命的本質不是物質，而是信息。生命是物質組織的形式，生命是物質有序的排列。當物質有序排列，就是生命；排列無序，就是無生命。這種有序度，或者無序度，就是“熵”。想想，那時候我還小啊，看了這樣的天書，驚得我一個月說不出話。等到若干年以後，我才明白當時無意看到的這篇文章的作者就是大名鼎鼎的薛定諤，真是人類歷史上不世出之奇才！ 生命是有序，死亡是無序。生命是物質的排列形式。薛定諤接着說了，天才的薛定諤，薛定諤說，人類爲何要喫飯？你喫進的這個碳原子和你身體裏已有的碳原子沒有任何區別，你爲何要喫入新的碳原子？喫飯不是爲了喫入物質，而是爲了喫入能量；更準確地說，喫飯是爲了吸收有序度。喫飯是喫入有序度，喫入負熵，喫入負熵後，減少熵增，抵禦了死亡。薛定諤造了“熵”的概念後，又造了另一個詞“負熵”。顧名思義，負熵就是熵的負數。熵是混亂度，負熵是有序度。薛定諤接着說了一句無比神祕的話：負熵即信息。這句話我思索了六年，都不能理解。直到後來研究信息論，明白了信息的本質，才懂薛定諤的意思。薛定諤說，喫飯不是爲了喫入物質，因爲你體內的物質並不需要更換，喫飯也不是爲了喫入能量，喫飯是爲了喫入信息，喫飯爲了喫入負熵，減少身體的熵增，克服身體熵增，進入無序。無序即死亡。薛定諤說，生命是個耗散系統，從外界吸收負熵，消除系統的熵增。按照熱力學第二定律，任何封閉系統總是熵增的，也就是總是在進入混沌無序。 宇宙的終點是大死寂，就是因爲熱力學第二定律，熵增定律。如果宇宙是個封閉系統，全宇宙的有序度是持續下降的，無序度持續增加，直到宇宙中處處均等。看到了嗎？平均是可怕的死亡力量，並非建設力量。如果宇宙中無處不平均，到處都一樣，那意味着宇宙一片死寂。宇宙中不會有高山，也不會有河流，更不會有太陽，也不會有生命。草長鶯飛，長河落日，都將成爲歷史。

生命的潮起潮落 讀《神祕的量子生命》 這是一部量子生物學的入門著作。如果不是對生命微觀機理特別感興趣的話，建議就不要閱讀了。作者提出了一個非常獨特的學術視角，把量子力學引入到有機生命誕生和繁衍進化的各個環節上，詳細揭示生命現象在量子級別上的重要過程。閱讀這本書之前，不僅要掌握生物化學的基礎知識，還要理解量子力學的理論概念。這樣的書籍無法聽讀，我用了總共將近20個小時，逐頁閱讀、細緻筆記，被作者領進了一片嶄新的領域。 掩卷之時，如沐甘霖。我感到身體的每個細胞、我的神經和思維，還有身邊所有的動物、植物，都已經完全不同。這樣的科學視野，令人駛入另一個微觀宇宙的星辰大海。 作者強調，越來越多的研究證明，量子力學不僅僅作用於非生命現象，在生命現象中也起到關鍵作用。沒有量子力學，我們就無法解釋酶的催化（量子隧穿）、光合作用（量子漫步）、鳥的導航（量子糾纏）、魚的嗅覺（量子自旋）、基因突變（量子躍遷）等生命現象。 作者的敘述並不枯燥，既視感很強。這是科普著作中的上乘之作。我們可以一起跟着知更鳥和帝王蝶長途遷徙；可以深入植物細胞“觀看”光合作用的能量轉化過程；可以變成一條小丑魚，靠着非凡的嗅覺尋找方向。反觀我們自己，解剖了每一個神經元之後，發現我們每個人的頭顱之內，都是一臺強大的量子計算機！ 薛定諤認爲，生命的秩序來自於“有序的有序”；生命正是一種能在空中飛翔、能用兩足或四足行走、能在海洋裏游泳、能在土壤中生長，或是能閱讀的量子現象。感受這樣的定義，足以使人熱血沸騰。 在學習和創新的路上，讀書、行路，每個師生都沒有理由不去點燃這份激情。這纔是數十億年來量子生命潮起潮落、生生不息的源泉所在吧。 2019-12-8

量子生物學融合了量子物理學、生物化學和生物學，是一門前沿交叉學科。在書中，作者從日常生命現象入手，以量子視角和深入淺出的解釋，帶讀者領略生命活動中量子世界的奇妙。 作者讓我們瞭解到，神奇的生命隨時都在量子級發生，例如： ◉ 凝視夜空，星光中的光子進入你的眼睛。光子經視網膜組織轉換爲極其微弱的電流，沿着視神經抵達大腦的神經組織，並生成一種“閃爍”的神經衝動，讓你體驗到自己正置身於一閃一閃的漫天繁星之下。 ◉ 與此同時，你的內耳毛髮細胞感受到了小於1/109個大氣壓力的輕微氣壓變化，並生成聽覺神經信號來提醒你，微風正拂過樹林，那聲音彷彿鳴響的口哨。幾個分子飄入你的鼻子，被特殊的嗅覺感受器捕捉到，這些分子的化學特性緊接着傳遞到你的大腦，告訴你現在正值夏日時光，金銀花正在盛放。 ◉ 此外，你的每一個微小的運動，無論是仰望星空，靜聽風吟，還是嗅聞花香，都要靠數百條肌肉協調行動才能得以實現。 生命似乎一隻腳踩在充斥着日常物品的經典世界中，而另一隻腳陷在了奇怪而特別的量子世界中。生命，其實就生活在量子的邊緣。

生命是如何產生的？薛定諤認爲生命的秩序來自無序的有序，並提出了“負熵”的觀點。後來普利高津提出了“耗散結構”，但依然不能解釋生命是從如何無序到有序。 從無序到有序有無限的可能性，現有的生命形態的是如何是產生的？英國量子生物學家吉姆·艾爾—哈利利試圖從量子物理和生物化學的角度去解釋。哈利利在書中爲我們介紹了量子隧穿、量子漫步、量子糾纏和分子共振等概念，並試着用量子理論解釋知更鳥如何確定方位、人類如何感知氣味、植物如何光合作用以及基因突變等問題。他認爲量子範疇內發生的變化造就了宏觀的我們，生命是一臺複雜的分子機器，活細胞內嘈雜的分子環境維持了量子運動以及相干性，使得生命變得有序，而我們肉眼所見的宏觀世界從根本上來說也不過是經過退相干的濾鏡濾去了某些怪異現象的量子法則而已，只要我們推敲一下就會發現，我們日常生活中習以爲常的事實背後總能找到量子力學的蛛絲馬跡。 本書涉及到量子物理、生物化學和生物學，信息量很大。儘管作者避開了晦澀的公式，用盡可能通俗的語言爲我們科普了量子生物學，但因涉及到較多的專業詞彙，還是有點不好懂。在閱讀本書前，建議有高中生物和化學基礎的書友可以先看一看薛定諤的《生命是什麼》。 注:本書有視頻講述版本:BBC紀錄片《量子力學揭祕》，講述人是本書作者吉姆·艾爾—哈利利，有興趣的書友可以搜索觀看。

爲什麼會對量子生命感興趣？緣起是看《球狀閃電》，對結尾描述的量子玫瑰很感興趣，又不太能理解上去，想通過看本書瞭解一下。 那麼看完有幫助嗎？有、也沒有，還是一知半解。 量子生物學融合了量子物理學、生物化學和生物學，是一門前沿交叉學科，但本書作者避開了艱澀的公式、化學反應、計算和模型，由日常生命現象入手，從量子視角進行深入淺出的解釋，使非專業讀者也得以領略生命活動中量子世界的奇妙。 本書還是不錯的，對喜歡看科幻小說的人來說，還是有一些幫助的。