神秘的量子生命

《神秘的量子生命》是一部跨界科普佳作，由物理学家吉姆·艾尔-哈利利与生物学家约翰乔·麦克法登联袂创作，为读者展现了“量子”视角下的生命全貌。 1. 写作目的与核心命题 作者提出：若想真正理解生命为何能逆势而行，在宏观世界中保持高度有序与明确目的性，就必须深入量子层面探寻答案。 2. 物理世界的三层结构 - 宏观层：由牛顿力学主导，呈现出可见的生命形态与行为。 - 热力学层：受分子无序运动与熵增原则支配，管控能量转换；生命通过持续输入自由能、排出熵来维系自身的高度有序。 - 量子层：原子与粒子遵循量子规则，量子相干、隧穿与纠缠等现象在酶促反应、光合作用、嗅觉及鸟类磁感应等过程中发挥着关键作用。 3. 生命的三重角色 - 宏观层告诉我们“生命是什么”。 - 热力学层解释“生命如何维持”。 - 量子层揭示“为何能如此”：分子尺度的量子效应提供了精准的调控与信息处理能力，让生命得以在经典噪声中保持有序。 4. 量子生物学的实证篇章 - 光合作用：植物借助量子搜索与相干性，将光能转化为化学能，能量传递效率几乎达到100%。 - 酶促反应：质子隧穿与振动激励使得生化反应速度远超经典力学的预测。 - 嗅觉与磁感应：气味分子的振动频率与量子隧穿相关；知更鸟等迁徙动物依靠磁场感知方向。 - 基因复制与突变：DNA复制中的量子效应，可能为自然选择提供新的变异维度。 - 生命与技术：量子生物学的原理正为量子计算、药物设计、清洁能源等前沿领域带来启发。 5. 量子相干与“生命边缘” 生命能够在宏观尺度上维持量子相干，作者将这一现象比作“在风暴中划船”——既抵抗退相干，又主动利用它来提升信息处理与能量转换的效率。 6. 结语与展望 书中以费曼的名言“凡我做不出来的，就是我还不理解的”收尾，暗示未来人工生命的构建或将验证我们是否真正理解了生命的量子本质。作者最终给出的框架是：生命是宇宙中少数能够主动运用量子“魔法”的宏观系统，这正是它的神秘之处。

本书翻译内容十分精彩。自从2004年自然杂志发表了，一项“关于知更鸟的研究，为“鸟类利用量子纠缠来进行环球导航”的理论提供了第一份实验证据，它像开了实验量子生物学的先河。尽管1932年，《量子力学与生物学和心理学的根本问题》（Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie）的论文，被学者们视为“量子生物学的第一篇科学论文”。 这本书名也真好，像标题党一样吸引人。如同书中描述，“量子隧穿和量子叠加态，它们都既存在于太阳的核心，也存在于电子设备中，比如电子显微镜和核磁共振成像扫描仪之中。那么，发现大批量子现象在生物学中又有什么值得我们大惊小怪的呢”？ 例如，在仿生学或者诠释光合作用的机制中，及胜过电子或者量子计算机网络之大脑神经元系统网络，还有在诠释人的意思，灵魂的本质是什么等时，都不能不想到……。特别“意识是一种量子力学现象。这个观点最著名的支持者是牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。他在1989年出版的著作《皇帝的新脑》（The Emperor’s New Mind）里提出，人类的大脑就是量子计算机”。神经元细胞膜上的离子通道，就是大脑中存在量子力学现象的可能位置。 在发现发现了DNA分子的双螺旋结构之前，薛定谔曾经认为，“生命是量子的，生命的秩序属于“来自有序的有序””。并且，在发现DNA 之后，科学家总体上心安理得地忽视了在数学上具有挑战性的量子世界。因此，薛此定义的确像有很强量子的味道，记得一位大量子物理学家费曼的名言说：没有人真知道量子……。可喜的是，现在生物学领域，“胡汉三又回来了”！ 例如，书中介绍：“提高身体的温度会增加分子冲撞的能量和速度，因此，退相干现象在较高的温度下更为常见。但你可别以为“较高的温度”指的是我们认为“热”的温度。事实上，即使在常温下，退相干也无时无刻不在发生。这就是为什么“温热的生命体可以保持微妙的量子状态”至少在一开始时让人觉得不合情理的原因。只有当物体温度降到接近绝对零度——-273℃——随机分子运动才会完全静止，并使退相干现象消失，量子力学的作用才会显现出来”。 所以，上文刚引用过薛定谔的话，现在我们明白了他的意思。此大物理学家的行话是，“生命设法按照一套特殊的规则行事，而这套规则通常只有在比任何生物都低273℃左右的环境中才能运行。……”。 书中还用比较多篇幅，讨论胶原蛋白链与一个水分子。这是酶的活化中心（active site）……底物与酶之间的共用电子对，或者说用量子思维中量子隧穿效应，移动质子，动态同位素效应等，来认识酶的关键。因为“酶是生命的引擎，这个星球上每一个活细胞中的每一个分子都是由酶催化合成的。有益的震荡可能对维持我们的生命至关重要”。 当然书中还有不少分析，像与人感觉系统有关分子传递有关研究等，例如，解释群体生物学中动物的迁移中导航网络图（感知地磁场的能力及自由基和方向感）等，在此就不一一透露剧情了。 另外，人基因组学中，基因总数非常小，因此作者认为它一定会受到量子规则的影响。但量子力学是否在基因突变中扮演了重要而直接的角色，还是一个待解之谜？这对于经典遗传学应该也是一种非常新的思维方式，因为它认为基因突变本质是量子跃迁规律保证。 另外，现代医学研究发展，疾病预防一定重于治疗。对于疾病的认识也从 疾病（表现型）P = G（基因型）+E（环境）+ G*E（G与E的相互作用）发展到：P=G+E+G*E+e。其中e 就是与线粒体能量有关。这应该是生命科学认识上革命性突破！因为有关基因突变在不同组织，器官中的病变与线粒体关系，构成治疗方案之革命。其中对于小小e 的诠释、可以有热力学到量子力学的升华，这为新生命科学开了一扇大门。 书中金句摘要：1. “量子范畴内发生的变化引起宏观世界的效应是生命独有的特征，正是生命宏观现象对量子世界的敏感性，让诸如隧穿、相干性和纠缠态等量子现象造就了宏观的我们”。 2. “生命就像一台复杂的分子机器。生命有序性的自我维持需要依靠酶、色素、DNA、RNA和其他生化分子的协同合作，而这些生化分子的性质则多数建立在诸如隧穿、相干性和纠缠态等量子现象上”。 3. “量子力学就是原初生命体中缺失部分，它也是合成真正生命的关键。量子力学的介入不仅提供一种革命性的技术，同时也为那个古老问题（生命是什么）提供了新的洞见”。 本书尽管没有像其它教科书一样，来解释量子生物学的原理，研究方法及其技术开发之应用等方面。但是，它从经典哲学，生物学等之角度，讨论并且重新定义思考生命的本质。它将对其思维方式引进量子信息学思考范畴。特别是，在可见光世界及生命世界的认识中，就可以不再只局限于，物质的或者精神的世界之二元论的框架中。它一定还可以是量子的或者说是“Logos”的三个维度。例如，对于碳水化合物之遗传密码本质的诠释可能就将会是如此？ 今天，正好赶上今年第一次Manchester String Quartet（MSQ）在NIH的义演。演奏的是Schubert’s Opus 114”Trout”。当其钢琴与小提琴热情对话，加上中，大提琴的烘托，将一个不复杂音乐结构，激发出人十分兴奋的美感。不能不想到：音乐如何在大脑电磁场中能够影响神经元的兴奋，给人带来美妙的思绪万千，同时还在作曲家与听众之间产生心灵感应？它一定只能是有量子规律保证？在美及平安，喜乐，感恩中，不能不思想：人生之“道路，真理，生命”的源泉？

“在量子世界里，粒子可以同时出现在两个地方；在人生中，我们也能同时存在于‘曾经的自己’与‘想成为的人’之间。”本书提醒我们：不确定并非失败，而是蜕变的起点。当你拥抱属于自己的“量子可能性”，每一次坍塌都将化为新生。

《神秘的量子生命》是世界上第一本介绍量子生物学的专著。作者为英国量子生物学家吉姆·艾尔－哈利利和约翰乔·麦克法登，其中吉姆·艾尔－哈利利是世界上最有影响力的量子生物学家（凭一己之力创建了两个新学科）。量子生物学融合了量子物理、生物化学和生物学，是一本前沿交叉学科，也是一门飞速发展的学科。 通常认为，宇宙的起源、生命的起源和意识的起源是科学三大谜题。量子生物学提出了非常独特的学术视角，也许会解答生命起源和意识起源的谜题。本书把量子力学引入有机生命、生命进化和繁衍分裂等关于生命的各个环节，详细揭示了在量子级别上，生命现象的一些重要过程。缘起于作者之一麦克法登认为某些种类的细菌发生突变的逻辑离不开量子力学，因此促成了与量子力学家艾尔-哈利利的合作与著述。 若没有足够的生物化学基础和量子力学，本书读起来真是吃力。它以物理学视角看待生命孕育过程，虽然作者尽力避开艰涩公式、化学反应、计算与模型等纯自然科学学术理论表述，而是从日常生命现象入手，从量子视角进行深入浅出的诠释，运用生动比喻，使非专业读者也能领略生命活动中量子世界的奇妙，但它读起来依旧又深奥又神秘。从常见的自然现象入手，知更鸟和帝王蝶的迁徙导航、植物中高效的光合作用、还有酶的工作原理、人类心智之谜、遗传的高精度和变异的随机性等，以及一些经典的物理现象或试验，如双缝实验，氧化现象等。作者以量子世界的视角为我们逐个解读，最终发现“量子隧穿”、“量子纠缠”、“量子叠加态”等量子现象几乎在所有生命活动中都扮演了关键角色。 发热体表面的物质在以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射，而且这些能量团不可以再分，被称为“量子”。量子纠缠是指，曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎魔法般的联系（但量子纠缠不能用来解释或证实心灵感应等超自然现象，作者一再强调这一点）。 量子力学构筑了大部分现代物理学与化学的基石，揭示了宇宙的基本构成单位，并向人类展现了一幅非凡的宇宙全景。虽然人们谈到量子力学，总是用“怪异”来形容，但其理论的数学框架逻辑严谨，能够准确描述微观世界中基本粒子和基本力的性质，离散能级、波粒二象性、相干性、纠缠态以及隧穿并不只是存在于科学家们考究的实验室里，也不仅仅是科学家故弄玄虚的概念。量子力学研究的对象是物理学世界的基石，过去半个多世纪多数的技术进步都是以量子力学的数学规则为核心的，比如核磁共振成像扫描仪。 各种量子力学现象同时具有多种状态的叠加态、精心排列的量子系统等被成为“量子相干性”；而当相干性丧失，量子现象变为经典现象的物理过程叫做“退相干”。量子精彩的独自舞蹈，当有观众围观（测量）时，就立刻坍塌到平庸（经典力学状态）。 生命，在一个特殊的位置——量子世界与经典世界的边缘上，维持着奇异的量子特性。生命的神奇在于拥有万千形态与无尽功能，但其构成元素，与构成地球岩石和火星陨石的原子几乎相同。究竟是什么将岩石中没有活动能力的原子转化为如此鲜活的生命？这是科学界最宏大的问题，也是本书的核心。人类的技术至今从未能用完全非生命的物质创造出生命，但即使地球上最简单的微生物也能创造出生命，所以作者认为我们忽略了一些重要元素和相关知识，并且认为有一部分生命之谜的问题可以在量子力学的世界中得到解答。 接下来，作者对一个个谜题做出自己的理解说明，有关每个活细胞内生化反应的极度复杂性；有关死亡等等。从薛定谔的“来自有序的有序”开始，一些思维超前的物理学家，就认为生命是量子的，因为在已知的宇宙中，没有任何一种宏观非生命物体能像生命这样，结构精细而微小敏感，这样微观的层次里，量子力学取代了经典定律，统领一切。 以酶为例，人体内，酶是生命的引擎，在消化、呼吸和新陈代谢中有着重要作用，目前很多科学家认为，量子力学至少在某些酶的作用中起着关键作用，让它像催化剂一样降低反应物需要翻越的能量壁垒，酶在分子内或分子间操控单个的原子、质子和电子，加速生命必须的反应。再如，关于遗传，DNA双螺旋结构中质子的位置决定了生命延续的故事，而量子力学才能决定质子的位置。还有，候鸟体内的地磁指南针本质，也许就是当微小的能量作用于极其精细的平衡系统时，同样可以达到决定结果的关键作用……以及绿叶内的光合作用、神奇的嗅觉受体等自然现象，其实都离不开量子力学。本书的最后段落，着重探讨了量子力学是否在意识的形成过程中扮演了重要角色？综合前人理论和自己的想法，作者认为答案是肯定的：意识可能不是离散思维的综合，而是大脑电磁场联合影响下的体现，电磁场为捆绑问题的解决以及意识的形成提供了可能。 生命就像复杂的分子机器。其有序性的自我维持需要依靠酶、色素、DNA、RNA和其他生化分子的协同合作，而这些生化分子的性质则多数建立在诸如隧穿、相干性和纠缠态等量子现象上。正如费曼所说“凡是我们做不出来的，就是我们还不理解的。”虽然当前的技术水平无法让我们判断：为什么生命能够驾驭量子力学现象，而热力学远远无法理解生命现象？虽然作者也承认有些解答目前还只是推测……但，量子理论的洞见的确会让我们更好的回答人类的终极问题之一：生命是什么。 就阅读体验而言，能体会作者的良苦用心。当读物理学术语和理论大段篇幅之后，难免觉得乏味枯燥时，作者就会引用一个特别有趣的比喻或者科学史上的经典案例，把懵懂的读者从高冷的知识海洋中拯救出来，让人有信心继续读下去。其次，本书中所提及的量子物理实验涵盖范围大，从宏观到微观，从植物到动物，数据详实，描述周全；再者，本书在引用传统学术概念的同时，会加以进一步准确的解释，由此可见二位作者在自然科学知识体系方面掌握得既全面又专业，所以本学渣硬着头皮读到最后，但读到最后又有点儿留恋。希望以后能读到更多有趣又专业的量子生物学书籍。

遇事不决，量子力学。神神叨叨一整本书，作者的思路就是：什么，你们说生物学里没有量子力学？那我把生物过程从器官组织一路放大到细胞，分子，最后是原子、亚原子水平，嘿你看，量子力学不就出现了么！多种生物活动可能通过参与其中的亚原子的量子相干性、隧穿和纠缠态来实现，虽然大多数论证还停留在推测阶段，但是，这不是量子力学嘛！

何为生命？记得早些年读过一篇文章，让我开了天眼。文章说，生命是什么？生命是碳原子吗？你身体里的碳原子和眼前桌子里的碳原子没有任何区别，是相同的材料。 所以生命的本质不是物质，而是信息。生命是物质组织的形式，生命是物质有序的排列。当物质有序排列，就是生命；排列无序，就是无生命。这种有序度，或者无序度，就是“熵”。想想，那时候我还小啊，看了这样的天书，惊得我一个月说不出话。等到若干年以后，我才明白当时无意看到的这篇文章的作者就是大名鼎鼎的薛定谔，真是人类历史上不世出之奇才！ 生命是有序，死亡是无序。生命是物质的排列形式。薛定谔接着说了，天才的薛定谔，薛定谔说，人类为何要吃饭？你吃进的这个碳原子和你身体里已有的碳原子没有任何区别，你为何要吃入新的碳原子？吃饭不是为了吃入物质，而是为了吃入能量；更准确地说，吃饭是为了吸收有序度。吃饭是吃入有序度，吃入负熵，吃入负熵后，减少熵增，抵御了死亡。薛定谔造了“熵”的概念后，又造了另一个词“负熵”。顾名思义，负熵就是熵的负数。熵是混乱度，负熵是有序度。薛定谔接着说了一句无比神秘的话：负熵即信息。这句话我思索了六年，都不能理解。直到后来研究信息论，明白了信息的本质，才懂薛定谔的意思。薛定谔说，吃饭不是为了吃入物质，因为你体内的物质并不需要更换，吃饭也不是为了吃入能量，吃饭是为了吃入信息，吃饭为了吃入负熵，减少身体的熵增，克服身体熵增，进入无序。无序即死亡。薛定谔说，生命是个耗散系统，从外界吸收负熵，消除系统的熵增。按照热力学第二定律，任何封闭系统总是熵增的，也就是总是在进入混沌无序。 宇宙的终点是大死寂，就是因为热力学第二定律，熵增定律。如果宇宙是个封闭系统，全宇宙的有序度是持续下降的，无序度持续增加，直到宇宙中处处均等。看到了吗？平均是可怕的死亡力量，并非建设力量。如果宇宙中无处不平均，到处都一样，那意味着宇宙一片死寂。宇宙中不会有高山，也不会有河流，更不会有太阳，也不会有生命。草长莺飞，长河落日，都将成为历史。

生命的潮起潮落 读《神秘的量子生命》 这是一部量子生物学的入门著作。如果不是对生命微观机理特别感兴趣的话，建议就不要阅读了。作者提出了一个非常独特的学术视角，把量子力学引入到有机生命诞生和繁衍进化的各个环节上，详细揭示生命现象在量子级别上的重要过程。阅读这本书之前，不仅要掌握生物化学的基础知识，还要理解量子力学的理论概念。这样的书籍无法听读，我用了总共将近20个小时，逐页阅读、细致笔记，被作者领进了一片崭新的领域。 掩卷之时，如沐甘霖。我感到身体的每个细胞、我的神经和思维，还有身边所有的动物、植物，都已经完全不同。这样的科学视野，令人驶入另一个微观宇宙的星辰大海。 作者强调，越来越多的研究证明，量子力学不仅仅作用于非生命现象，在生命现象中也起到关键作用。没有量子力学，我们就无法解释酶的催化（量子隧穿）、光合作用（量子漫步）、鸟的导航（量子纠缠）、鱼的嗅觉（量子自旋）、基因突变（量子跃迁）等生命现象。 作者的叙述并不枯燥，既视感很强。这是科普著作中的上乘之作。我们可以一起跟着知更鸟和帝王蝶长途迁徙；可以深入植物细胞“观看”光合作用的能量转化过程；可以变成一条小丑鱼，靠着非凡的嗅觉寻找方向。反观我们自己，解剖了每一个神经元之后，发现我们每个人的头颅之内，都是一台强大的量子计算机！ 薛定谔认为，生命的秩序来自于“有序的有序”；生命正是一种能在空中飞翔、能用两足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生长，或是能阅读的量子现象。感受这样的定义，足以使人热血沸腾。 在学习和创新的路上，读书、行路，每个师生都没有理由不去点燃这份激情。这才是数十亿年来量子生命潮起潮落、生生不息的源泉所在吧。 2019-12-8

量子生物学融合了量子物理学、生物化学和生物学，是一门前沿交叉学科。在书中，作者从日常生命现象入手，以量子视角和深入浅出的解释，带读者领略生命活动中量子世界的奇妙。 作者让我们了解到，神奇的生命随时都在量子级发生，例如： ◉ 凝视夜空，星光中的光子进入你的眼睛。光子经视网膜组织转换为极其微弱的电流，沿着视神经抵达大脑的神经组织，并生成一种“闪烁”的神经冲动，让你体验到自己正置身于一闪一闪的漫天繁星之下。 ◉ 与此同时，你的内耳毛发细胞感受到了小于1/109个大气压力的轻微气压变化，并生成听觉神经信号来提醒你，微风正拂过树林，那声音仿佛鸣响的口哨。几个分子飘入你的鼻子，被特殊的嗅觉感受器捕捉到，这些分子的化学特性紧接着传递到你的大脑，告诉你现在正值夏日时光，金银花正在盛放。 ◉ 此外，你的每一个微小的运动，无论是仰望星空，静听风吟，还是嗅闻花香，都要靠数百条肌肉协调行动才能得以实现。 生命似乎一只脚踩在充斥着日常物品的经典世界中，而另一只脚陷在了奇怪而特别的量子世界中。生命，其实就生活在量子的边缘。

生命是如何产生的？薛定谔认为生命的秩序来自无序的有序，并提出了“负熵”的观点。后来普利高津提出了“耗散结构”，但依然不能解释生命是从如何无序到有序。 从无序到有序有无限的可能性，现有的生命形态的是如何是产生的？英国量子生物学家吉姆·艾尔—哈利利试图从量子物理和生物化学的角度去解释。哈利利在书中为我们介绍了量子隧穿、量子漫步、量子纠缠和分子共振等概念，并试着用量子理论解释知更鸟如何确定方位、人类如何感知气味、植物如何光合作用以及基因突变等问题。他认为量子范畴内发生的变化造就了宏观的我们，生命是一台复杂的分子机器，活细胞内嘈杂的分子环境维持了量子运动以及相干性，使得生命变得有序，而我们肉眼所见的宏观世界从根本上来说也不过是经过退相干的滤镜滤去了某些怪异现象的量子法则而已，只要我们推敲一下就会发现，我们日常生活中习以为常的事实背后总能找到量子力学的蛛丝马迹。 本书涉及到量子物理、生物化学和生物学，信息量很大。尽管作者避开了晦涩的公式，用尽可能通俗的语言为我们科普了量子生物学，但因涉及到较多的专业词汇，还是有点不好懂。在阅读本书前，建议有高中生物和化学基础的书友可以先看一看薛定谔的《生命是什么》。 注:本书有视频讲述版本:BBC纪录片《量子力学揭秘》，讲述人是本书作者吉姆·艾尔—哈利利，有兴趣的书友可以搜索观看。

为什么会对量子生命感兴趣？缘起是看《球状闪电》，对结尾描述的量子玫瑰很感兴趣，又不太能理解上去，想通过看本书了解一下。 那么看完有帮助吗？有、也没有，还是一知半解。 量子生物学融合了量子物理学、生物化学和生物学，是一门前沿交叉学科，但本书作者避开了艰涩的公式、化学反应、计算和模型，由日常生命现象入手，从量子视角进行深入浅出的解释，使非专业读者也得以领略生命活动中量子世界的奇妙。 本书还是不错的，对喜欢看科幻小说的人来说，还是有一些帮助的。