神秘的量子生命

                                小丑鱼“闻出”回家之路

   在靠近菲律宾佛得岛(Isla Verde)海岸的浅海中, 一只剧毒的海葵锚靠在一丛珊瑚礁上。在海葵招摇的 触须中,有一对橙白条纹相间的小鱼。这种鱼叫作公子 小丑鱼(common clownfish),正式一点的名称叫海葵 鱼(anemonefish),学名是眼斑双锯鱼或眼斑海葵鱼 (Amphiprion ocellaris)。这对小鱼中的其中一条是雌鱼,它的一生比大多数脊索动物要有趣多,因为它曾经 并不是雌性。像所有的小丑鱼一样,它出生时本是雄性, 从属于这群小丑鱼中唯一的雌鱼。小丑鱼有严格的社会 结构,一群小丑鱼通常栖息在一只海葵中,其中只有一 条是雌鱼。当这条小鱼还是雄鱼时,经过与其他雄性激 烈竞争,它最终占了上风,得到了与唯一的雌鱼交配的 权利。后来,一条鳗鱼游过,吃掉了雌鱼。于是,在它 体内休眠了数年的卵巢开始发育,它的睾丸随之停止工 作。原来的雄鱼就这样变成了鱼群中的皇后,等待与下 一条在竞争中胜出的雄鱼交配。

   从印度洋到西太平洋,小丑鱼是珊瑚礁中常见的栖 息者,它们以植物、藻类、浮游生物以及软体动物和小 型甲壳动物为食。它们体型娇小,色彩艳丽,又没有脊突、 锐鳍、倒刺或鳍刺,鳗鱼、鲨鱼等游曳于珊瑚的捕食者 不能轻易捉到它们。当受到威胁时,小丑鱼主要的自卫 手段是在宿主海葵的触须间快速游动,这些海葵的触须 有毒,而小丑鱼的鳞片上覆盖了一层厚厚的黏液,可以 保护自己免于中毒。作为回报,这些艳丽的租客会帮海 葵驱逐不速之客,比如前来觅食的蝴蝶鱼。

   小丑鱼真正变得家喻户晓其实要归功于动画电影 《海底总动员》(Finding Nemo)。1影片中,有人将小 丑鱼尼莫从大堡礁的家中一路劫持到了悉尼,它的父 亲马林所面对的难题,就是找到自己的儿子。然而, 在实际情景中,小丑鱼所面临的挑战是如何凭借自己 找到回家的路。

每一只海葵都可以为一小群小丑鱼提供栖身之所。 鱼群中有一雄一雌两条占主导地位的鱼,还有若干青壮 年雄鱼为了成为雌鱼的配偶而激烈竞争。雌鱼一死,为 首的雄鱼就会变性成为雌鱼。这项特殊的本领叫作雄性 先熟雌雄同体,可能是生命为了适应在凶险的珊瑚礁中 生存而发展出来的能力。在唯一具有繁殖能力的雌鱼死 后,能让整个鱼群不离开宿主海葵就继续存活下去。 不过,虽然一整群小丑鱼可以在一只海葵中寄居数年, 这些鱼的幼苗却不得不先离开它们安全的家,随后再踏上回乡之旅。

   对大多数珊瑚鱼来说(小丑鱼是其中一种),月圆 之夜便是产卵的信号。随着海上的满月开始亏缺,雌 小丑鱼赶忙产下一团卵,到此为止,雌鱼的任务已经 完成,只需等待为首的雄鱼为这些卵受精。至于保卫 鱼卵、驱逐其他食肉类珊瑚鱼就都是雄小丑鱼的事了。 雄小丑鱼一直守卫着鱼卵,大约一周后,鱼卵孵化为 幼苗,数以百计的鱼苗便冲进洋流中。

   小丑鱼幼苗只有几毫米长,几乎完全透明。在大 约一周的时间里,它们随着深海洋流一路漂流,以动 物性浮游生物为食。在珊瑚礁中浮潜过的人都知道, 在洋流中漂流,海水将很快把你送出很远,因此,洋 流可以将小丑鱼幼苗裹挟到距离它们出生的珊瑚礁数 公里以外的地方。幼苗中的大多数成了其他动物的盘 中餐,但也有一些活了下来。大约又过了一周,为数 不多的幸运儿游到了海床上,并在一天之内变态发育 为幼年期小丑鱼,也就是小一号的成年鱼。没有毒海 葵的保护,游曳于海底的捕食者很容易抓到这些色彩 艳丽的小丑鱼。它们要想活下来,必须尽快找到可以 容身避难的珊瑚礁。

   通常认为,珊瑚鱼幼苗在洋流中漂流,要找到一丛 合适的珊瑚礁来栖身只能靠运气。但这种解释并不能完 全说得通。因为大多数鱼苗都是游泳的好手,它们如果 不知道要去哪儿,怎么会如此卖力地游? 2006 年,著名的美国伍兹霍尔海洋生物实验尔 · 格拉克(Gabriele Gerlach)为一些生活在澳大利亚 大堡礁水域的鱼做了基因指纹鉴定。这些鱼生活在相距 3 ~ 23 公里的珊瑚礁中。她发现在同一丛珊瑚礁上栖息 的鱼彼此之间的相似性要远远高于寄居在更远距离珊瑚 礁中的鱼。因为所有的珊瑚鱼幼苗会分散在一片很大的 区域中,所以,要想解释这一现象,只能认为大多数成 年鱼会回到它们出生时的珊瑚礁。不管以什么方式,每 一只珊瑚鱼幼苗身上一定留下了某种印记来帮助它们找到自己的出生地。

   不过,鱼苗或幼年小丑鱼在漂出那么远之后要回家 怎么会知道该往哪个方向游呢?海床上没有任何有用的 视觉提示。因为没有参照点,所以四面八方看起来都一 样:四周的沙子上点缀着卵石和巨砾,偶尔爬过一两只 诸如螃蟹之类的节肢动物。相距甚远的珊瑚礁也不大可 能会发出任何能传到数千米之外的听觉信号。洋流本身 又是一个问题,由于洋流的流向在不同深度的水层中不 尽相同,要判断水体是运动还是静止非常困难。同时, 我们知道,磁感应能帮助知更鸟在冬季迁徙,但没有任 何证据表明小丑鱼具有像知更鸟那样的磁感应罗盘。那 小丑鱼究竟是如何找到还乡之路的呢？

吉姆.艾尔—哈利利

●  英国萨里大学物理学教授，具影响力的量子生物学家。

●  1989年，在英国萨里大学获得核反应理论博士学位。

●  1992年，在英国工程和自然科学委员会的资助下，开始了为期五年的研究工作，他差不多每两个月就发表一篇论文，有些论文的引用次数超过500次。

●  从20世纪90年代末开始，研究领域转向量子生物学，“量子隧穿”是他的研究重点。1999年，他与生物学家约翰乔·麦克法登联合发表了量子生物学方面的论文。2012年，在英国工程和自然科学委员会的资助下，他与约翰乔·麦克法登共同主办了量子生物学研讨会，并获得极大成功。2015年，他以量子生物学为主题做了TED演讲。

●  2005—2007年，他参与拍摄BBC的纪录片《爱因斯坦大脑之谜》和《原子》，广受好评，他于2011年开始在BBC制作广播节目《生命科学》，每周吸引的听众数量高达200万。

约翰乔.麦克法登：

●  英国萨里大学分子遗传学教授，著名量子生物学家。

●  1982年获得帝国理工学院生物化学博士学位。

●  发表科学论文超过100篇。

● 在整个科学领域,量子力学是具影响力的重要理论。没有量子力学,我们就无法解释世界是如 何运转的,比如:知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的?小丑鱼是如何找到回家之路的?光合作用中能量的传递效率为什么 那么高?对所有这些问题的解答,都离不开量子 力学,离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

● 酶促反应，光合作用，嗅觉，鸟类的磁感应，基因的复制，心智之谜，生命的起源，这种种现象都与神秘的量子世界有关。物理世界有三个层次，一层是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则,第二层次是热力学世界。遵循热力学法则。第三层是量子世界。在这个维度里,原子、分子以及组成它们的所有成分粒子都遵循精确而有序的量子规则。

● 人造生命一定要遵循量子理论,因为没有量子力学,就不会有生命。费曼说过:“凡是我做不出 来的,就是我还不理解的。”如果有一天,人造 生命真的成为现实,那将意味着我们终于理解了生命的本质。我们将会看到:生命正驾驭着混沌 之力,在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上, 乘风前行! 

中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物学的澎湃

引言  

没有量子力学，就不会有生命／001

   在整个科学领域,量子力学是最具影响力的重要 理论。没有量子力学,我们就无法解释世界是如 何运转的,比如:知更鸟长途迁徙时是如何通过 微弱的地球磁场感知方向的?小丑鱼是如何找到 回家之路的?光合作用中能量的传递效率为什么 那么高?对所有这些问题的解答,都离不开量子 力学,离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

   动物大迁徙

   万物背后的量子真相

  知更鸟是如何感知方向的

  形形色色的量子现象

第一部分 生命科学的前世今生

01 生命是什么／029

   在很长一段时间里,人们认为生命体与非生命 体的主要区别在于生命体内有一种特殊的“生命力”。后来,活力论渐渐让位于机械论。但 是,生命中仍有许许多多的待解之谜。尽管克雷 格?文特尔成就非凡,他仍不能从零开始创造出 生命,而最低级的微生物却可以毫不费力地创造 生命。薛定谔认为,生命是量子的,生命的秩序 属于“来自有序的有序”。

    活力论

    机械论

    量子生物学的兴起 

    生命是量子的

02 酶是生命的引擎／067

   酶是生命的引擎。所有的生命都依赖酶。我们体 内的每一个细胞中都填充着数百甚至数千个这样 的分子机器,无时无刻不在“帮助”细胞组装和 回收利用生物分子,使之持续不停地运转下去。 这个过程,就是我们所说的“活着”。

   生死有关的酶

   一场精心编排的分子舞蹈

   量子思维，认识酶的关键

   来自量子世界的魔法

   第二部分 量子世界中的生命

03 光合作用中的量子节拍／113

   光合作用中能量从光子到反应中心的传递效率算 得上是最高的,因为传递效率几乎是 100%。在 理想情况下,几乎所有叶绿素分子吸收的能量都 可以到达反应中心。如果能量不是取道最短进行传递,大部分乃至全部能量都会在传递中殆尽。 光合作用的能量为何能如此擅长寻找捷径,一直 以来都是生物学领域的一大谜题。

   双缝实验，切中量子力学的内涵

   脆弱的量子相干性

   神奇的叶绿素

   光合作用中的量子计算机

04  小丑鱼“闻出”回家之路／149

    气味分子或溶解在唾液中,或飘散在空气中,被 位于舌头或鼻腔顶部嗅觉上皮的感受器截获,嗅 觉就此产生。“锁钥模型”认为,气味分子嵌入 嗅觉感受器就如同钥匙插进了钥匙孔。气味与分 子振动频率紧密相关,臭鸡蛋的味道是 78 太赫! 对于振动频率相同而气味却大不相同的个别现 象,“刷卡模型”给出了完美解释。量子力学中 的非弹性电子隧穿,是嗅觉产生的关键。

    我们是如何闻出味道的

    形状模型，一把钥匙开一把锁

    振动模型，臭鸡蛋味道是78太赫！

    刷卡模型，嗅觉的量子计算

05  帝王蝶与知更鸟的地磁方向感／187

    加拿大和墨西哥之间的帝王蝶以及北欧和北非之间的知更鸟,它们的迁徙究竟是依靠什么导航的呢?研究发现,触角中的隐花色素校准了体内的生物钟,让帝王蝶在从加拿大飞往墨西哥的路上不会迷路。知更鸟的地磁感受器是一种磁倾角罗盘,能通过化学反应感受微弱的地磁。自旋单和三重态之间微妙的平衡性,让鸟类可以利用地磁实现导航。

   帝王蝶蝶迁徙之谜

   知更鸟的指南针

   量子自旋与幽灵般的超距作用

   自由基和方向感

06  量子基因／221

   DNA 复制的错误率往往小于十亿分之一,极高的 复制精度,得以让生命一代一代传下去。但是, 如果遗传密码的复制过程一直完美无缺,生命便 不可能进化,也不能应对种种挑战。复制过程的 少许错误,能让子代更好地适应环境并繁盛起来。 基因非常小,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。

   遗传，高精度的复制

   突变，美丽的错误

   基因编码

   基因突变是量子跃迁吗

07  心智之谜／259

   关于心智、意识究竟是如何工作的,目前被广泛 接受的理论是心智计算理论。如果一台量子计算 机能够维持 300 个量子位的相干性和纠缠态,它 的计算能力几乎相当于一台整个宇宙那么大的 经典计算机! 2011 年,我国科学家仅用 4 个以 原子自旋状态作为编码的量子位就成功对 143 (13?11)完成了因数分解,居于世界领先水平。

   意识是什么

   思想是如何产生的

   人脑就是量子计算机

   微管理论

08  生命的起源／297

   弗雷德?霍伊尔说过,随机化学过程创造出生命 的概率,就像龙卷风吹过垃圾场,然后纯属意外 地造出了一架大型客机。他的话生动形象地说明, 我们今天所知的细胞生命体太过复杂有序,不可 能起源于纯粹的偶然,在此之前一定有更简单的 自复制体。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。

   生命不是偶然的

   RNA世界假说

   没有量子力学，就不会有生命

   量子相干性，生命起源中的重要角色

结语 我们一定能创造出遵循量子理论的新生命/323

   人造生命一定要遵循量子理论,因为没有量子力 学,就不会有生命。费曼说过:“凡是我做不出 来的,就是我还不理解的。”如果有一天,人造 生命真的成为现实,那将意味着我们终于理解了 生命的本质。我们将会看到:生命正驾驭着混沌 之力,在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上, 乘风前行!

  量子生物学的新发现

  风暴边缘的生命

  量子生物学的力量

  理解生命，创造生命

后记：量子生命／361

译者后记／365