生命是什么

生命的第一個謎題是在每個活細胞內(nèi)生化反應(yīng)的極度復(fù)雜性

當化學(xué)家要生產(chǎn)一種氨基酸或糖類時畔乙，他們幾乎總是一次只合成一利產(chǎn)品磁餐，通過精心地控制該制備實驗的條件竹观，比如溫度和不同原料的濃度输拇，來優(yōu)化對目標化合物的合成。這可不是一項簡單的工作抢野，需要對定制的長頸瓶冷凝器拷淘，分離柱、過濾器及其他復(fù)雜的化學(xué)儀器內(nèi)部許多不同的條件進行精細的控制指孤。然而启涯，你體內(nèi)的每個活細胞中，在一個僅僅容納著一微升液體的百萬 分之幾的單一反應(yīng)室內(nèi)邓厕，正在馬不停蹄地合成著數(shù)以千計各不相同的生化物質(zhì)逝嚎。這些不同的反應(yīng)是如何同時發(fā)生的？所有的分子活動如何在一個小小的細胞內(nèi)協(xié)調(diào)運作详恼？這些問題正是新興的科學(xué)分支“系統(tǒng)生物學(xué)”所關(guān)注的焦點补君。但是，坦白的說昧互，這些問題的答案依然迷霧重重挽铁。

生命的另一個謎題是死亡

化學(xué)反應(yīng)的一個特征是它們總是可逆的。 我們可以按這樣的方向?qū)懴路匠淌剑旱孜镆划a(chǎn)物敞掘。但是叽掘，該反應(yīng)的逆反應(yīng)： 產(chǎn)物一底物，也在同時發(fā)生著玖雁。只不過在一定的條件下更扁，總有一個方向會傾向于占據(jù)主導(dǎo)地位。實際上赫冬，我們總能找到一套傾向于逆反應(yīng)的反應(yīng)條件浓镜。生命卻迥然不同。還從沒有人發(fā)現(xiàn)過能使下面的反應(yīng)發(fā)生的條件：死細胞——活細胞劲厌。

來自有序的有序

下面是薛定諤在《生命是什么》的一些觀點：

諸如熱力學(xué)定律之類的經(jīng)典物理學(xué)與化學(xué)規(guī)律膛薛，雖然精確可以重復(fù)驗證，但實質(zhì)上是統(tǒng)計規(guī)律补鼻，背后是原子或分子的隨機運動哄啄，也就是說，它們只在平均意義上正確风范，也只是在包含了極大量的粒子相互作用后咨跌，才能可靠。就像我們加熱可以使氣球膨脹硼婿，但是也會有極少數(shù)分子隨機向內(nèi)運動使氣球收縮虑润。當然，這種樣子在宏觀統(tǒng)計學(xué)上看不出來加酵。但是拳喻，就像一個極小的氣球行為在很大程度上不可預(yù)測，我們很難預(yù)測單個分子的運動規(guī)律猪腕。

在書中薛定諤問了一個簡單的問題：基因是否大到足夠保證其復(fù)制過程中對精確的偏離符合統(tǒng)計上的“來自無序的有序”呢冗澈？他后來大致估算出單個基因的體積應(yīng)該是邊長不大于300埃的立方體。這樣的一個立方體大約能夠容納100萬個原子陋葡。這聽起來好好像還很多亚亲，但是100萬的平方根是1000，因此腐缤，按照這種方法推斷出的遺傳物質(zhì)中的不精確性或“噪音”應(yīng)該是0.1%。因此岭粤，如果遺傳是基于經(jīng)典統(tǒng)計規(guī)律，它產(chǎn)生錯誤的程度（偏離規(guī)律）應(yīng)該是0.1%剃浇，但是巾兆，事實上基因的傳遞非常準確虎囚，其變異率（錯誤率）小于1/10^9。這種非比尋常的高精度讓薛定諤相信淘讥，遺傳規(guī)律不可能建立在“來自無序的有序”的經(jīng)典定律之上。相反蒲列，他認為基因更像是單個的原子或分子窒朋，符合另一個科學(xué)領(lǐng)域的規(guī)律嫉嘀，非經(jīng)典但擁有神奇的秩序，也就是由他貢獻的量子力學(xué)領(lǐng)域剪侮。

酶是生命的引擎

無論是“原始湯”中涌現(xiàn)的第一個微生物，還是穿越侏羅紀森林的恐龍瓣俯，亦或是直到進入還存活的每一種生物杰标，所有的生命都依賴酶。

我們體內(nèi)的每一個細胞都填充著數(shù)百甚至數(shù)千個這樣的“分子機器”彩匕，無時無刻不在“幫助”細胞組裝和回收利用生物分子腔剂，使之持續(xù)不停地運轉(zhuǎn)下去。這個過程驼仪，就是我們所說的“活著”掸犬。

假設(shè)現(xiàn)在把一個小球推上或踢上一個小山丘袜漩。要想讓小球能登上山頂并且從山的另一面滑下，就必須結(jié)結(jié)實實的猛踢一腳湾碎。小球沿著山坡向上滾宙攻，速度不斷減慢，如果沒有足夠的能量介褥，他就會停下來座掘，然后原路滾回去。按照牛頓的經(jīng)典力學(xué)柔滔，讓小球翻閱山丘的唯一出路溢陪，便是使其獲得足夠能量，升高到超過能量壁壘的位置睛廊。但是形真，如果小球是一個電子，山丘是由電子斥力形成的能量壁壘喉前，那么就存在一個很小的可能性使電子以波的形式穿過這個壁壘没酣，也就是說，電子可以另辟蹊徑卵迂，以更高效的方式完成穿越裕便。這就是量子隧穿。

像許多其他的量子現(xiàn)象一樣见咒，量子隧穿依賴物質(zhì)例子向外傳播時的“波”屬性偿衰。這是量子隧穿的一個重要特點。要想使一個由無數(shù)粒子構(gòu)成的物體完成遂穿改览，所有粒子的“波”屬性必須在“行軍”時保持步調(diào)一致下翎，波峰波谷要重疊，我們將其稱為系統(tǒng)“相干”宝当，簡而言之视事，就是調(diào)子要合拍∏炜“退相干”的過程恰恰相反俐东，所有的量子波各行其是，沖走了整體的相干行為订晌，并最終使整體失去了量子隧穿的能力虏辫。一個粒子要是以量子隧穿滲透壁壘，就必須保持其“波”的性質(zhì)锈拨。這解釋了為什么足球之類的宏觀物體無法遂穿：這些物體由數(shù)以兆記得原子組成，所有的粒子無法以協(xié)調(diào)一致的波形整體行動。

以量子標準來衡量娄昆，活細胞也屬于宏觀物體佩微。所以乍看上去，由于在活細胞中溫?zé)岣寤啤駶櫟沫h(huán)境內(nèi)喊衫，原子和分子的絕大多數(shù)在無序運動，量子遂穿效應(yīng)幾乎不可能發(fā)生壳贪。但是，正如我們所預(yù)料的那樣互纯，酶的內(nèi)部卻別有洞天：酶的粒子并非群魔亂舞磕蒲，而是跳著精心編排的舞蹈。

但是兔院，像質(zhì)子或整個原子那么大的粒子又是什么情況呢坊萝？它們也可以在生物系統(tǒng)中粒子遂穿嗎许起？乍看一眼，你可能覺得是天方夜譚园细。即使是單個質(zhì)子，其質(zhì)量也是電子的2000倍猛频，而量子遂穿對于遂穿粒子的質(zhì)量極度敏感：小的粒子容易遂穿，而重的粒子遂穿時阻力就大很多厉亏，除非遂穿的距離非常短烈和。不過，最近幾個非常精彩的實驗表明恬试，即使是質(zhì)量相對較大的粒子在酶促反應(yīng)中照樣可以量子遂穿。

酶參與了每一個活著或死去細胞的每一個生物分子的合成與分解训柴。與其他生命要素一樣，酶之于生命洗鸵，生死攸關(guān)仗嗦。有的酶，或者說可能所有的酶火邓，其工作原理是使處于空間中某一點的粒子去物質(zhì)化德撬，然后幾乎同時在空間中的另一點重新物質(zhì)化。這一發(fā)現(xiàn)為我們探尋生命之謎提供了全新的視角蜓洪。雖然還有許多酶的相關(guān)的未解之謎（比如蛋白質(zhì)的運動所起的作用）有待我們進一步理解蝠咆，但是量子隧穿在其中扮演的角色不言而喻。

酶是生命的引擎刚操。青蛙和其他所有生物的每一項生命活動，維系所有生物和人類生命的每一個過程坚冀，無一不由酶來加速鉴逞。酶可以精確操縱基本的粒子運動，并能借此深入到量子世界中利用其奇異的法則液南。這一切共同鑄就了酶非凡的催化能力勾徽。

光合作用中的量子節(jié)拍

光合作用中能量從光子到反應(yīng)中心傳遞效率算得上是最高的，因為傳遞效率幾乎是100%.在理想情況下畅姊，幾乎所有的葉綠素分子吸收的能量都可以達到反應(yīng)中心。如果能量不是取道最短傳遞朱嘴，大部分乃至全部的能量都會在傳遞中殆盡粗合。光合作用的能量為何如此擅長尋找捷徑，一直以來都是生物學(xué)領(lǐng)域的一大謎題帚湘。

量子力學(xué)對雙縫干涉的解釋

對于原子裝置內(nèi)的運動甚淡，相比于單個粒子從發(fā)生器穿過縫隙打向光屏這種設(shè)想贯卦，從發(fā)生器到光屏之間連續(xù)分布的波函數(shù)才是更恰當?shù)南敕ū捍Ｔ诳p隙處，原子的波函數(shù)一分為二啡彬，兩條縫隙各自獲得一個原子通過的波函數(shù)故硅。需要注意的是，我們在這里描述的都僅僅是抽象的數(shù)學(xué)變化而已往踢。然而一旦我們進行觀測就會改變實驗結(jié)果徘层，所以要追問原子在穿過縫隙時到底發(fā)生了什么是沒有意義的。想要弄清楚我們不觀測時到底發(fā)生了什么瘦癌，就像要弄清楚家里的冰箱的在冰箱門打開前是不是亮著的一樣：你永遠無法知道跷敬，因為在偷看的那一剎那，你已經(jīng)改變了整個系統(tǒng)楞黄。

那么問題也來了：以波函數(shù)存才的原子到底什么時候又變回了粒子呢？答案是：當我們試圖檢測它位置的時候鬼廓。當我們采取任何針對原子位置信息的檢測手段時致盟，原子的波函數(shù)坍塌為一個唯一的可能性馏锡。雖然在入室搶劫的例子中，犯罪的行蹤在警察抓住他以后杯道，也從一系列的可能性坍縮為一個確定的點，但是在犯罪的例子里萎庭，受到偵查結(jié)果影響僅僅是我們手中關(guān)于犯罪下落的信息齿拂。不論我們知道與否，某一時刻罪犯都只會出現(xiàn)在空間上一個確定的位置署海。然而原子不同砸狞，如果不進行檢測，一個原子實際上真的是無處不在趾代。

所以，量子力學(xué)中波函數(shù)的描述是禽捆，假設(shè)我們在某時某處進行檢測胚想，我們能夠在該點檢測到原子的概率芽隆。波函數(shù)大的位置统屈，意味著檢測到原子的概率高愁憔。但是在參數(shù)小的位置孽拷，比如由于發(fā)生相消干涉，在相應(yīng)位置上檢測到原子的概率也就相應(yīng)低膜宋。

現(xiàn)在讓我們想象用波函數(shù)的形式跟隨一個從發(fā)射器射出來的原子炼幔，在縫隙后面如果我們不進行觀測的話乃秀，那么在穿過縫隙之前波函數(shù)不會發(fā)生塌縮。在量子力學(xué)中策泣，我們會說此時這個原子處于量子疊加狀態(tài)：單個原子同時出現(xiàn)在空間的兩個位置上抬吟，換句話說火本，左側(cè)和右側(cè)縫隙時同時獲得了一個波函數(shù)钙畔。

所有的量子實體金麸，無論是基本的粒子，還是由他們組成的原子揍魂、分子棚瘟，都像波一樣能夠與自身發(fā)生干涉的相干性特征。在這種量子狀態(tài)下庄蹋，他們可以表現(xiàn)出許多怪異的量子行為，比如同時出現(xiàn)在兩個不同的位置虫蝶、同時向兩個方向旋轉(zhuǎn)、洞穿不可逾越的障礙物以及與遠處的另一個粒子發(fā)生隔空的量子糾纏能真。

既然如此调限，對本質(zhì)是由量子粒子構(gòu)成的你我而言，為什么我們沒有擁有同時出現(xiàn)在兩個不同地方的能力呢秦躯？這對于一些日理萬機的人來說將如有神助踱承。這個問題從某個角度來說非常簡單：物體的體積越大茎活，復(fù)雜程度越高，他的波動性就越弱琢唾。且不說人類身體的體積和質(zhì)量大小采桃，哪怕是任何可以被肉眼識別的物體，都會因為量子波長太短而失去討論其波動性的意義普办。更深一步工扎，你可以想象身體的每一個粒子都受到其他粒子的觀察和測量，所以每個粒子的脆弱的量子屬性馬上就受到破壞衔蹲。事實上肢娘，雙縫實驗中為了讓原子能在光屏上打出干涉條紋，科學(xué)家抽走了設(shè)備中的所有空氣舆驶，并且把溫度降低到了幾乎絕對零度橱健。只有通過這些額外的努力，原子才得以撞擊第二塊光屏之前保持其自身的量子相干性沙廉。

心智之謎

20世紀初畴博，意識的電磁場理論剛剛提出，那是還沒有直接證據(jù)顯示大腦電磁場能夠影響神經(jīng)元的興奮蓝仲，進而影響我們的思維活動俱病。不過官疲，后來在數(shù)個實驗室里完成的實驗都證明，與人類大腦強度、組成相近的外加電磁場的卻影響神經(jīng)元的興奮和放電促王。實際上，電磁場的作用看起來像是協(xié)調(diào)神經(jīng)元興奮：使眾多神經(jīng)元同步放電迅耘，讓他們同時興奮。這些發(fā)現(xiàn)提示了大腦神經(jīng)元興奮所產(chǎn)生的電磁場春塌，同樣有可能影響神經(jīng)元的放電活動，形成一種自我調(diào)節(jié)環(huán)路。許多理論學(xué)家認為梯投，這就是意識的必要組成。