量子生物學如何解答生命最重要的難題

知更鳥是如何知道向南遷徙的？答案可能比你想的要更加奇異；因答案可能與量子物理有關。Jim Al-Khalili 向我們展示量子生物學這個極為新穎，極為迥異的世界，正是那個曾被愛因斯坦叫做「遠距離的幽靈行動」在為鳥類導航，而量子效應或許將揭示生命的起源。

我想向你們介紹
一個新興的科學領域，

一個仍在推導中，
但十分激動人心的，

並且發展尤為迅速的領域。

量子生物學
問了一個很簡單的問題：

量子力學---

這個怪誕奇妙而強大的理論，

存在於原子和分子的亞原子世界，

並為現代物理和化學
打下如此堅固的基礎---

是否也在活細胞中
扮演著一定角色？

換句話說：是否某些進程，
機制和現象

在生物有機體中只能通過

量子力學的幫助得以解釋說明？

如今，
量子生物學並不是新事物；

早在20世紀30年代
量子生物學就出現了。

然而，直到大約過去十年內，
那些周密的實驗---

在生物化學實驗室中，
使用光譜儀---

才得出非常確鑿的證據，
證明的確有某些特定的機制

需要量子力學來解釋。

量子生物學領域聚集了
量子物理學家，生物化學家

和分子生物學家---
一個極具交叉性的學科。

我來自量子物理學領域，
然後我是一個核物理學家。

我花了三十多年的時間

來嘗試研究量子力學。

Niels Bohr，
量子力學的創始人之一

說過：如果你沒有為之震撼，
那麽你就沒有理解它。

我現在仍然對它感到震驚，
所以我還挺高興的。

這是個好事。

但這意味著我研究的
是宇宙中最最細微的結構---

是現實的基石。

如果我們想知道這個結構的大小

先從一個日常物品開始，
比如說一個網球，

然後將物體的尺寸大小按降序排列---

從一個針眼，到一個細胞，
到一個細菌，再到一個酶---

最後你就來到了奈米的世界。

現在你可能聽說過
奈米科技這個名詞。

一奈米是一米的十億分之一。

我的研究領域是原子核，
相當於原子力的一個小點。

它的尺寸規模甚至更小。

這屬於量子力學的領域，

而且物理學家和化學家
已經花了很久的時間

來做出嘗試並適應該領域。

另一方面我認為，
生物學家已經輕易地離開了該領域。

他們對自己的分子球-棍模型
已經很滿意了。

（笑聲）

球就是原子，
而棍是連接各個原子的紐帶。

而且當他們不能在實驗室裏
用實物建造這種結構時，

他們現在可以使用
強大的計算機技術

來模擬出一個巨大的分子結構。

這是一個由10萬原子構成的蛋白質。

事實上它並不需要
用量子力學的理論來解釋。

量子力學發展於20世紀20年代。

它是一套美妙且強大的
數學規則和理念，

用來解釋那些微小的世界。

同時這個世界
於我們日常世界非常迥異，

這個世界包括幾萬億原子。

它是一個建立在可能性和概率上的，

比較模糊的世界。

猶如一個幽靈居住的世界，

在這裏，
粒子也可以表現出散開的波狀形態。

如果我們把量子力學，
或量子物理學

想象為是現實本身的基礎，

那麽我們會自然而然地說，

有機化學是基於量子物理學的。

畢竟，量子物理學的規則向我們解釋了

原子們是如何配合在一起
來組成有機分子的。

因複雜性而放大的有機化學，

產生出分子生物學，
當然就指向了生命本身。

因此在某種意義上說，
它並不令人驚訝。

它幾乎是很細微的。

你會說：“好吧，
那生命最終必然依賴於量子力學。”

但是其它所有的一切都是這樣。

所有由幾萬億原子構成的
無生命的物質都是如此。

最終，應該有一個量子水平

讓我們不得不
去深入探索這種怪異性。

但在日常生活中，
我們又會經常忘記這點。

因為一旦當你將幾萬億的原子
放在一起時，

量子的怪異性就消失了。

量子生物學不是研究這個的。

量子生物學並不是這樣明顯的。

當然在某個分子級上的生
是由量子力學來支撐的。

量子生物學研究的是非細微的---

量子力學中反直覺的理念---

去研究它們是否確實

在描述諸多生命過程中起作用。

這是我舉的一個很典型的例子來闡釋

量子世界中的反直覺性。

這是一位量子滑雪者。

他看上去是完整無缺的，
還是很健康的，

然而，
他好像同時穿過了樹的兩邊。

正如你們看到的軌跡一樣，

你可能會覺得這是某種特技表演。

但是在量子世界中，
這卻是常事。

粒子們能夠完成多種任務，
它們可以同時在兩個不同的地點。

它們可以同時做不止一件事。

粒子們可以呈現出散開的波狀。

這就是像是魔法一樣。

物理學家和化學家
已經用了一個世紀的時間

來適應這件怪事。

我不會責怪生物學家們，

責怪他們沒有
或者不想去了解量子力學。

你們看，
這種怪異是很微妙易損的；

所以我們物理學家在實驗室裏
很努力的在維持這種怪異。

我們將系統冷卻至接近絕對零度，

我們在真空的環境中進行實驗，

我們還努力將它
隔絕於一切外部的干擾。

這些與一個活細胞中溫暖，
混亂和吵鬧的環境截然不同。

如果你思考一下分子生物學的話，
生物學本身

似乎將所有的生命進程，

從化學---化學反應---
的角度已經描述得很好了。

而且這些還原論者，
或這些確定性的化學反應，

告訴我們：基本而言，
生命的構成材質與其他物質相同，

所以如果我們能夠忘記
宏觀世界裡的量子力學，

那麽我們就也能夠忘記生物學。

但是，有人很不同意這個觀點。

以“Schrödinger的貓”實驗而著名的
Erwin Schrödinger，

是一位澳大利亞的物理學家。

他是20世紀20年代
量子力學的創始人之一。

在1944年，
他寫了一本書叫“生命是什麼？”。

這本書非常具有影響力。

它影響了Francis Crick和
James Watson

這兩位是發現DNA雙螺旋結構的人。

他是這樣闡釋書中的一個描述的：

在分子水平，
生物體都有一個明確地秩序，

一種結構，
這個結構不同於

那些在複雜程度相同的
無生命物質中的

原子和分子的隨機性熱力推撞。

事實上，有生命體似乎都以
這種秩序存在，在一個結構中，

就像被冷卻至近絕對零度的
無生命物質一樣，

那個時候量子效應
就起到很重要的作用。

關於一個活細胞內的結構---秩序---，

有某些很特殊的地方。

因此，Schrödinger推測量子力學
也許在生命中扮演重要角色。

這是一個意義深遠的猜想，

但這個猜想並沒有走多遠。

但就像我一開始提到的，

在過去的十年中，
已經有一些新興的實驗，

證明了生物學中的某些特定的現象

的確需要量子力學來解釋。

我想與大家分享幾個
令人興奮的現象。

這是一個量子世界中
最著名的現象之一，

叫量子隧穿。

左邊的方框中顯示的是
一個量子實體的波狀，

散開分布形態---
它是個電子一樣的粒子，

而不是一個從墻面彈開的小球。

這個波紋有一定的可能性能夠穿過，

一面實墻，
像一個幽靈一樣躍過了另一邊。

大家可以看到右邊的方框中
有一絲微弱的光痕。

量子隧穿現象說明
粒子在撞不可穿透的障礙物，

可以不明原因地，
像施了魔法般，

從一端消失並重新出現在另一端。

這個現象最好的解釋是，
如果你想把球扔到墻那邊去，

你必須給它足夠的力量
讓它跳過墻頭。

在量子的世界裏，
你就沒必要非要把球扔過墻頭，

你可以把球扔向墻面，
然後有一定的非零概率

使它消失在你這邊，
繼而在另一邊重現。

對了，提醒一下，這不是推測。

我們很高興---好吧，
“高興”不是一個恰當的表達。

（觀眾笑聲）

我們對此非常熟悉。

（觀眾笑聲）

量子隧穿一直都在發生；

事實上，它就是我們能看到
陽光普照的原因。

顆粒熔合在一起，

然後太陽通過量子隧穿把氫變成氦。

在七八十年代的時候，
人們發現量子隧穿還發生在

活細胞內部。

酶，是生命的老黃牛，
是化學反應的催化劑---

作為生物分子，
酶加速了活細胞中的化學反應，

借助的是很多數量級上的指令。

而且我們一直不知道
酶是如何做到這一點的。

好，人們還發現

酶在進化時用到的一個小把戲，

就是將像電子，
實際上是質子一樣的亞原子粒子，

通過量子隧穿送分子的一個部位
轉移到另一個部位。

這個過程效率很高，
很快，它可以消失---

一個質子可以從一個地方消失，
然後出現在另一個地方。

酶可以促進這一切的發生。

這項研究是80年代做的，

研究者主要來自伯克萊，
由 Judith Klinman 領導。

英國的其他實驗組現在也證實了

酶的確可以做到以上這些。

我的實驗組做了研究---

我之前說過，
我是一個核物理學家。

但是我意識到，我在原子核中
使用量子力學時積累的方法工具

也同樣可以很好地應用在
其他領域的研究中。

我們問過一個問題，

量子隧穿是否在DNA突變中起作用。

同樣，這也不是一個新觀點；
早在60年代早期人們就提出過。

DNA的兩條鏈，
就是雙螺旋結構，

像階梯一樣盤旋在一起，
像一個扭曲的梯子。

那些梯子的階梯是氫鍵---

質子，
就像是兩條鏈之間的粘合劑。

因為當你放大來看，
能看見它們正在將這些大分子---

核甘酸---聚合在一起。

再放大一點。

所以，這是一個計算機模擬圖。

中間的兩個白球是質子，

而且大家可以看到這是一個雙氫鍵。

一個選擇坐在這邊；
另一個選擇兩條鏈的另一邊。

沿著垂直線上的兩條鏈向下，
大家就看不到了。

有一種情況就是
這兩個質子可能會跳另一邊。

看一下這兩個白球。

他們可以跳到另一邊去。

如果DNA的兩條鏈分開，
導致了複製的過程，

那麽這兩個質子就處於錯誤的位置，

這就能導致突變的產生。

大家已經知道這個事有半個世紀了。

但問題是：
它們這樣做的可能性有多大，

而且如果它們做了，
是怎麽做的呢？

它們會不會像小球翻墻那樣跳過去?

或者它們是不是發生了量子隧穿，
即使它們沒有足夠的力量？

早期的種種跡象說明，
量子隧穿可以在這起到作用。

但我們還是不知道它到底有多重要；

這仍是一個討論中的問題。

它很有推測的空間，

但它卻是一個很重要的問題，

重要到，
如果量子力學在突變中起作用，

這絕對對於理解某些突變的類型

甚至有可能是
那些導致癌細胞的突變類型，

有十分重大的意義。

生物學中的另一個
量子力學的例子是量子相干性，

存在於生物學中
一個最重要的過程之一，

光合作用：植物和細菌吸收光照，

並用此能量來創造生物。

量子相干性是關於
量子實體進行多種任務的理念。

它就是一個量子滑雪者。

它是一個像波紋的物體，

因此它不僅是
向一個或另一個方向移動，

它能夠同時在多種路徑上運動。

幾年以前，
有一件事情讓全球科學界震驚：

一篇發表論文中展示了實驗證據，

證明量子相干性在細菌內部發生，

進行光合作用。

這個觀點相當於：
質子，作為光、太陽光的顆粒，

作為光的量子，
被一個葉綠素分子捕捉到，

然後被運送到了
一個所謂的反應中心，

在那裏，它變成了化學能量。

而且為了到達那裏，
它不止沿著一條路徑運動，

它同時走了多種路徑，

來優化出到達
反應中心的效率最高的路徑。

在這個過程中
並沒有耗掉多余的熱量。

量子相干性發生在一個活細胞內。

這是一個了不起的理念，

而且證據幾乎是每週都隨著
新論文的發表出現，

來證實量子相干性的確在發生。

我的第三個也是最後一個例子
是一個最美妙絕倫的觀點。

這個觀點也是推測性的，
但我還是要與大家分享。

歐洲的知更鳥
每個秋天都從斯堪地維亞

南下遷徒到地中海，

像許多其他的海洋動物
甚至昆蟲一樣，

牠們通過感應地球的磁場來導航。

現在，地球的磁場非常非常的微弱，

比一個冰箱貼的磁場要弱100倍，

但是它卻以某種方式地影響了
一個有機生命體中的化學。

這點是毫無疑問的---
一對德國的鳥類學家夫婦，

Wolfgang和Roswitha Wiltschko，
在20世紀70年代證實，

知更鳥確實通過
感知地球磁場來找路，

獲得方向性的資訊---
像一個內置的指南針。

令我們疑惑的是：
牠是如何做到的？

好，唯一盛行的理論---

我們不知道它是否正確，
但卻是唯一一個為人所知的理論---

是知更鳥是通過某種叫做
量子糾纏的現象做到的。

在知更鳥的視網膜裏---

這不是玩笑---
知更鳥的視網膜中有種隱色素蛋白，

它對光很敏感。

在隱色素內，
一對電子發生量子糾纏。

現在，我們理解量子糾纏
是兩個分離甚遠的粒子

卻以某種方式保持著彼此的聯系，

甚至於愛因斯坦都討厭這個觀點；

他把這個叫做
「遠距離的幽靈行動」。

（觀眾笑聲）

如果連愛因斯坦都不喜歡它，
那我們或許都對此感到不適。

兩個發生量子糾纏的電子
在一個單獨的分子內

跳著微妙的舞蹈，

這對於鳥在地球磁場中飛往的方向

是非常敏感的。

我們不知道這是不是正確的解釋，

但是，如果量子力學能幫鳥類導航，
這該是多麽激動人心的事情啊？

量子生物學仍然處於初級階段。

仍然處於推測階段。

但是我相信它是建立在
紮實的科學基礎上的。

我也認為在未來的十年左右，

我們會看到這一領域
實實在在地充斥於生命中---

生命會利用量子世界中的一切
來進化發展。

請大家一起關注。

謝謝大家！

（掌聲）