神秘的量子生命（簡體書）

在整個科學領域，量子力學是很有影響力的重要理論。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麼那麼高？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。

酶促反應、光合作用、嗅覺、鳥類的磁感應、基因的復制、心智之謎、生命的起源，這種種現象都與神秘的量子世界有關。物理世界有三個層次：首先是宏觀世界，遵循牛頓運動力學法則；接下來是熱力學世界，遵循熱力學法則；然後是量子世界，在這個維度裡，原子、分子以及組成它們的所有成分粒子都遵循準確而有序的量子規則。

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，那將意味著我們終於理解了生命的本質。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!

吉姆·艾爾—哈利利

英國薩裡大學物理學教授，理論物理學家，量子生物學家。

1989年，在英國薩裡大學獲得核反應理論博士學位。之後，在倫敦大學學院做了兩年博士後項目的研究。1992年被薩裡大學聘為講師。

2000年，被聘為英國物理學會會士。2005年，晉升為薩裡大學物理學教授。截至目前，他在核物理、量子力學和量子生物學等領域發表了100多篇論文。2007年，憑借“對科學的貢獻”獲得大英帝國勛章；2018年，當選英國皇/家學會會士。

從20世紀90年代末開始，艾爾-哈利利的研究領域轉向量子生物學。他與量子生物學家約翰喬麥克法登聯合發表了多篇量子生物學方面的文章。並且，兩人在英國工程和自然科學委員會的資助下，共同組織了量子生物學國際研討會。

約翰喬·麥克法登

英國薩裡大學分子遺傳學教授，物理學家，量子生物學家。

1982年獲得帝國理工學院生物化學博士學位。

發表科學論文超過100篇。

媲美薛定諤《生命是什麼》，量子生物學奠基之作！

亞馬遜蕞佳科學圖書、《紐約時報》暢銷書；《經濟學人》《金融時報》年度好書；英國皇/家學會溫頓獎獲/獎圖書。

用科學撥開自然的迷霧，揭示生物學背後的量子真相。

中國科學院強磁場科學中/心研究員謝燦、英國知名作家菲利普普爾曼、英國知名哲學家安東尼·格雷林傾情推/薦。

湛廬文化出品。

踏上探索之旅，感受量子生物學的澎湃

聽聞本書的中文版即將面世，我感到非常高興。近年來，中國在世界科學研究中扮演的角色日益重要，涌現出了許多新的研究成果。因此，我覺得讓更多中國朋友了解量子生物學這樣一個令人興奮而又剛剛起步的新學科可謂非常重要。

我是一名出生於伊拉克的英國理論物理學家，目前供職於英國薩裡大學。本書的另一位作者，分子遺傳學家約翰喬 · 麥克法登也在這所大學任職。在整個學術生涯中，我一直致力於研究核物理，專長是用量子力學研究原子核間的模型反應。坦白地說，我的專業其實和生物學相去甚遠！

除了物理學教授的工作外，我還會抽些時間通過不同的媒體做一些科普工作：圖書、公開課、電視或廣播節目等。比如，在過去的十年間，我曾為英國廣播公司（BBC）策劃、製作過多部節目，內容廣泛涉及各種科學話題。從事科普的經歷讓我和來自不同專業領域的科學家也能相談甚歡。

大約是1997年的一天，約翰喬 · 麥克法登教授從校園另一邊的生物系來到物理系。他組織了一次研討會，並在會上向我們介紹了分子生物學中的一個研究領域—某些種類的細菌如何發生突變。他認為，要想解決該問題離不開量子力學。不出所料，他的觀點飽受爭議。然而，這也成了我們兩人非正式合作的開始。近20年後，本書的出版將我們的合作推向了

高潮，而這本書也成為世界上第一本介紹量子生物學的專著。

正如我們在引言中所說，因為各方面原因，量子生物學還只是一個充滿爭議和推測的新興研究領域。首先，即便是在更傳統的物理學或化學領域，量子力學都略顯晦澀，更不用說在混亂複雜的活細胞環境中了——活細胞中數以千計的生化反應無時無刻不在進行，由酶、其他蛋白質和大分子參與的複雜過程在生物體中執行著各類不可思議的任務。在過去的幾十

年間，生物學家們對生命過程的理解取得了重大的進展，因此不難理解，他們最不想聽到的觀點就是，要想完全理解某些生命過程，還需要用到量子力學的知識。

大多數生物學家確實不需要和量子力學打交道，因此他們之前並沒有詳細地學過量子力學，而現在他們也不太願意從頭學起。同樣，每天都要用到量子力學的物理學家們更願意將量子力學用於他們能夠理解和控制的系統，而不是一層又一層地對生物化學進行剖析。

既然生物學家們和物理學家們都沒有準備好張開雙臂迎接這個連接兩大學科的新領域，那麼處於他們之間的化學家們又是怎樣的態度呢？畢竟，化學家們經常使用量子力學來描述各類不同的分子過程，而且像物理學家們一樣，在過去幾十年中，他們已經習慣了原子世界違反直覺的特徵以及量子力學對這些現象的準確描述。此外，化學家們同樣經常研究生命

系統內發生的反應。生命如果不是紛繁複雜的化學過程又能是什麼呢？在英語中，我們甚至會使用“生命的化學”（the chemistry of life）這樣的詞語。因此，你可能會覺得化學家們會是第一批擁抱量子生物學的人。確實，這個新興學科的許多成果來自使用激光、光譜等技術來研究生物大分子行為的化學家們。

但即使這樣，大多數化學家還是不願意接納這個領域。生物學家們不想學量子力學，物理學家們不想將量子力學應用到環境複雜的活細胞中去，而化學家們的理由與他們不同。化學家們認為，當深入到生命體的分子層面時，觀察到遵循量子力學規律的現象不足為奇。他們認為，如果挖掘得足夠深入，一切事物都是量子的。

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，量子力學是最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麼那麼高？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

萬物背後的量子真相

知更鳥是如何感知方向的

形形色色的量子現象

第一部分生命科學的前世今生

01 生命是什麼

在很長一段時間裡，人們認為生命體與非生命體的主要區別在於生命體內有一種特殊的“生命力”。後來，活力論漸漸讓位於機械論。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，而最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，生命的秩序屬於“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最高的，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。如果能量不是取道最短進行傳遞，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，被位於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! 對於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麼導航的呢？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於十億分之一，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並繁盛起來。 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

關於心智、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於一臺整個宇宙那麼大的 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，居於世界領先水平。

意識是什麼

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，然後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複雜有序，不可能起源於純粹的偶然，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-尤裡實驗

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，那將意味著我們終於理解了 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

從頭開始製造生命

理解生命，創造生命

後記：量子生命

譯者後記

04 小丑魚“聞出”回家之路

在靠近菲律賓佛得島（Isla Verde）海岸的淺海中，一只劇毒的海葵錨靠在一叢珊瑚礁上。在海葵招搖的觸須中，有一對橙白條紋相間的小魚。這種魚叫作公子小丑魚（common clownfish），正式一點的名稱叫海葵魚（anemonefish），學名是眼斑雙鋸魚或眼斑海葵魚（amphiprion ocellaris）。這對小魚其中一條是雌魚，它的一生比大多數脊索動物要有趣得多，因為它曾經並不是雌性。像所有的小丑魚一樣，它出生時本是雄性，從屬於這群小丑魚中唯一的雌魚。小丑魚有嚴格的社會結構，一群小丑魚通常棲息在一只海葵中，其中只有一 條是雌魚。當這條小魚還是雄魚時，經過與其他雄性的激烈競爭，它最終占了上風，得到了與唯一的雌魚交配 的權利。後來，一條鰻魚遊過，吃掉了雌魚。於是，在它體內休眠了數年的卵巢開始發育，它的睪丸隨之停止工作。原來的雄魚就這樣變成了魚群中的皇后，等待與下一條在競爭中勝出的雄魚交配。

從印度洋到西太平洋，小丑魚是珊瑚礁中常見的棲息者，它們以植物、藻類、浮遊生物以及軟件動物和小型甲殼動物為食。它們體型嬌小、色彩艷麗，又沒有脊突、銳鰭、倒刺或鰭刺，鰻魚、鯊魚等遊弋於珊瑚的捕食者不能輕易捉到它們。當受到威脅時，小丑魚主要的

自衛手段是在宿主海葵的觸須間快速遊動，這些海葵的觸須有毒，而小丑魚的鱗片上覆蓋了一層厚厚的黏液，可以保護自己免於中毒。作為回報，這些艷麗的租客會幫海葵驅逐不速之客，比如前來覓食的蝴蝶魚。

小丑魚真正變得家喻戶曉其實要歸功於動畫電影《海底總動員》（Finding Nemo）。影片中，有人將小丑魚尼莫從大堡礁的家中一路劫持到了悉尼，它的父親馬林所面對的難題，就是找到自己的兒子。然而，在實際情景中，小丑魚所面臨的挑戰是如何依靠自己找到回家的路。

每一只海葵都可以為一小群小丑魚提供棲身之所。魚群中有一雄一雌兩條占主導地位的魚，還有若干青壯年雄魚為了成為雌魚的配偶而激烈競爭。雌魚一死，為首的雄魚就會變性成為雌魚。這項特殊的本領叫作雄性先熟雌雄同體，可能是生命為了適應在兇險的珊瑚礁中

生存而發展出來的能力。在唯一具有繁殖能力的雌魚死後，能讓整個魚群不離開宿主海葵就繼續存活下去。

不過，雖然一整群小丑魚可以在一只海葵中寄居數年，這些魚的幼苗卻不得不先離開它們安全的家，隨後再踏上回鄉之旅。

對大多數珊瑚魚來說（小丑魚是其中一種），月圓之夜便是產卵的信號。隨著海上的滿月開始虧缺，雌小丑魚趕忙產下一團卵，到此為止，雌魚的任務已經完成，只需等待為首的雄魚為這些卵受精。至於保衛魚卵、驅逐其他食肉類珊瑚魚就都是雄小丑魚的事了。

雄小丑魚一直守衛著魚卵，大約一周後，魚卵孵化為幼苗，數以百計的魚苗便衝進洋流中。

小丑魚幼苗只有幾毫米長，幾乎完全透明。在大約一周的時間裡，它們隨著深海洋流一路漂流，以動物性浮遊生物為食。在珊瑚礁中浮潛過的人都知道，在洋流中漂流，海水將很快把你送出很遠。因此，洋流可以將小丑魚幼苗裹挾到距離它們出生的珊瑚礁數千米以外的地方。幼苗中的大多數成了其他動物的盤中餐，但也有一些活了下來。大約又過了一周，為數不多的幸運兒遊到了海床上，並在一天之內變態發育為幼年期小丑魚，也就是小一號的成年魚。沒有毒海葵的保護，遊弋於海底的捕食者很容易抓到這些色彩艷麗的小丑魚。它們要想活下來，必須盡快找到可以容身避難的珊瑚礁。

通常認為，珊瑚魚幼苗在洋流中漂流，要找到一叢合適的珊瑚礁來棲身只能靠運氣。但這種解釋並不能完全說得通。因為大多數魚苗都是遊泳的好手，它們如果不知道要去哪兒，怎麼會如此賣力地遊？ 2006年，著名的美國伍茲霍爾海洋生物實驗室的研究員加布麗埃爾·格拉克（Gabriele Gerlach）為一些生活在澳大利亞大堡礁水域的魚做了基因指紋鑒定。這些魚生活在相距3~23千米的珊瑚礁中。她發現在同一叢珊瑚礁上棲息的魚彼此之間的相似性要遠遠高於寄居在更遠距離的珊瑚礁中的魚。因為所有的珊瑚魚幼苗會分散在一片很

大的區域中，所以，要想解釋這一現象，只能認為大多數成年魚會回到它們出生時的珊瑚礁。不管以什麼方式，每一條珊瑚魚幼苗身上一定留下了某種印記來幫助它們找到自己的出生地。

不過，魚苗或幼年小丑魚在漂出那麼遠之後要回家，怎麼會知道該往哪個方向遊呢？海床上沒有任何有用的視覺提示。因為沒有參照點，所以四面八方看起來都一樣：四周的沙子上點綴著卵石和巨礫，偶爾爬過一兩只諸如螃蟹之類的節肢動物。相距甚遠的珊瑚礁也不太可能會發出任何能傳到數千米之外的聽覺信號。洋流本身又是一個問題，由於洋流的流向在不同深度的水層中不盡相同，要判斷水體是流動還是靜止非常困難。同時，我們知道，磁感應能幫助知更鳥在冬季遷徙，但沒有任何證據表明小丑魚具有像知更鳥那樣的磁感應羅盤。那小丑魚究竟是如何找到還鄉之路的呢？