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（果殼翻譯學(xué)習(xí)組/譯）量子力學(xué)中最著名的那個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的要旨就是，量子世界完全不同于我們所熟悉的世界。奧地利物理學(xué)家埃爾溫•薛定諤（Erwin Schrödinger）讓我們想象一只貓放在一個(gè)箱子里。這只貓的命運(yùn)和量子世界緊密相連，因?yàn)橄渥永锓庞卸舅?，但只有?dāng)一個(gè)放射性原子衰變的時(shí)候才會(huì)釋放出來。量子力學(xué)說，在被觀測(cè)之前，這個(gè)原子一定處于一個(gè)獨(dú)特的狀態(tài)——“疊加態(tài)”，在這個(gè)狀態(tài)下，原子既衰變了也沒有衰變。更進(jìn)一步，因?yàn)樨埵欠衲艽婊钊Q于這個(gè)原子的狀態(tài)，這同時(shí)也表示這只貓也處于一個(gè)既死又活的疊加態(tài)——直到有人打開箱子來觀察它為止。這只貓的性命取決于原子的狀態(tài)，而這個(gè)原子的狀態(tài)卻懸而未決。

但沒有人真的相信這只貓可以既死了又活著。原子這樣的基本粒子有奇怪的量子特性（比如同時(shí)存在兩種狀態(tài)，同時(shí)處于兩個(gè)位置，穿過本應(yīng)無法透過的屏障等等），而貓這樣常見的經(jīng)典物體卻不會(huì)有，兩者之間存在極其重大的區(qū)別。為什么呢？簡(jiǎn)而言之，這些奇怪的量子特性太脆弱了。

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薛定諤的貓不太可能真的既死又活——但它體內(nèi)會(huì)不會(huì)有別的量子疊加態(tài)呢？

量子力學(xué)強(qiáng)調(diào)所有的粒子同時(shí)也是波。但是如果你想看到奇怪的量子效應(yīng)，這些波必須要排列整齊，以便波峰和波谷可以對(duì)齊。物理學(xué)家將這種特性叫做“相干性”，就像是合調(diào)的音符。如果波沒有重疊，波峰和波谷就會(huì)互相抵消，摧毀相干性，你也不會(huì)看到任何奇怪的事。另一方面，如果只有一個(gè)粒子的波，它就很容易保持合調(diào)——只要和自己列好隊(duì)就行了。但要讓幾百、幾百萬甚至幾百億粒子的波排列整齊，幾乎是不可能的事情。這樣一來，這些怪事在大物體內(nèi)部就被抵消了。這也是為什么對(duì)于貓來說沒什么事是不確定的。

然而，薛定諤1944年的《生命是什么》（What Is Life）一書中卻寫道，生命中一些最為基礎(chǔ)的磚石，必定會(huì)像肉眼看不到的放射性原子一樣，是一種量子實(shí)體，具有反直覺的特征。實(shí)際上薛定諤認(rèn)為，生命和非生命之所以不同，正是因?yàn)樯嬖谟诹孔邮澜绾徒?jīng)典世界之間的中間地帶——我們可以稱之為“量子邊界”。

“有序中誕生有序”

薛定諤的觀點(diǎn)是基于以下這些看起來矛盾的事實(shí)。盡管經(jīng)典定律——從牛頓力學(xué)定律、熱力學(xué)定律到電磁學(xué)定律——看起來都極其有序，但實(shí)際上，它們都基于無序。設(shè)想有一個(gè)氣球，里面充滿了數(shù)萬億進(jìn)行無序運(yùn)動(dòng)的氣體分子，不斷撞擊著彼此和氣球內(nèi)壁。但是，當(dāng)你把它們的運(yùn)動(dòng)加和再平均后，你就得到了氣體定律，而用這一定律可以準(zhǔn)確地推導(dǎo)出氣球受熱后會(huì)膨脹。薛定諤將這種定律稱作“無序中誕生的有序”，以此來說明宏觀上的規(guī)律，其實(shí)依賴于粒子水平上的混亂和不可預(yù)測(cè)。

那這和生命有什么關(guān)系呢？其實(shí)，薛定諤對(duì)遺傳非常感興趣。1944年，當(dāng)時(shí)距沃森和克里克揭示DNA分子的結(jié)構(gòu)尚有10年時(shí)間，基因的物理本質(zhì)還是一個(gè)謎。即使如此，人們已經(jīng)知道了基因要想一代一代傳下去，就必然具有極高的保真度：出錯(cuò)的概率小于十億分之一。這是個(gè)謎，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)知道基因非常小——薛定諤認(rèn)為，基因小到不能依賴“無序中誕生的有序”定律來保證其復(fù)制的準(zhǔn)確性。他提出，這一過程必定有一個(gè)“更復(fù)雜的有機(jī)分子”參與其中，在這個(gè)大分子中，“每個(gè)原子、每組原子，都扮演著各自的角色”。

薛定諤將這些新結(jié)構(gòu)稱為“非周期晶體”。他聲稱它們一定是遵守量子規(guī)律而非經(jīng)典法則，并進(jìn)一步提出基因突變可能是晶體內(nèi)的量子躍遷導(dǎo)致的。他接著提出，生命的許多特征或許建立在一個(gè)新的物理原則上。在非生命的世界里，如我們所知，宏觀規(guī)律通常來自無序的分子：有序來自無序。但也許——薛定諤說——生命世界里的宏觀規(guī)律反映了另一些東西：量子級(jí)別的神秘規(guī)律。他把這種推測(cè)稱為“有序來自有序”。

他是對(duì)的嗎？

十年之后，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了雙螺旋結(jié)構(gòu)?；虻某煞衷瓉硎菃畏肿覦NA——一條長(zhǎng)鏈分子，上面像珠子一樣穿滿了堿基。它完全就是一個(gè)非周期晶體，只是沒叫這個(gè)名字而已。并且，就像薛定諤預(yù)測(cè)的，“每個(gè)原子團(tuán)”的的確確都扮演著“一個(gè)獨(dú)立角色”，甚至單個(gè)質(zhì)子都發(fā)揮它們的量子特性，確定各自的堿基。整個(gè)科學(xué)史上恐怕找不出幾個(gè)比這更有先見之明的預(yù)測(cè)了。你眼睛的顏色，你鼻子的形狀，你的性格、智力甚至患病的可能，都在量子級(jí)別編碼。

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非周期晶體本身后來成為了另一個(gè)同樣迷人的領(lǐng)域。

可是，基于沃森和克里克發(fā)現(xiàn)而誕生的分子生物學(xué)這門新科學(xué)，在很大程度上依然執(zhí)著于經(jīng)典物理學(xué)。這在20世界后半葉運(yùn)轉(zhuǎn)的相當(dāng)好，此時(shí)的生物學(xué)家和生物化學(xué)家專注于新陳代謝這樣的主題，而它正是大量粒子基于“有序來自無序”原理運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)物。但21世紀(jì)，隨著生物學(xué)的注意力轉(zhuǎn)向越來越小的系統(tǒng)——甚至活細(xì)胞里單獨(dú)的原子和分子——量子力學(xué)的影響再一次浮現(xiàn)出來。新近的實(shí)驗(yàn)表明，一些生命最基礎(chǔ)的進(jìn)程確確實(shí)實(shí)是依賴于自現(xiàn)實(shí)的量子暗流中涌出的奇特性質(zhì)。

從量子嗅覺到量子導(dǎo)航

讓我們從幾個(gè)相對(duì)邊緣的例子說起——比如嗅覺。關(guān)于嗅覺的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，氣味分子會(huì)被味覺受體探測(cè)到，靠的是鼻子內(nèi)一種鑰匙-鎖結(jié)構(gòu)：氣味分子與受體的空隙結(jié)合，然后觸發(fā)反應(yīng)，就像鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)了鎖。這是一種令人愉快、非常直觀的學(xué)說，但是它解釋不了某些現(xiàn)象——例如，外形相似的分子經(jīng)常會(huì)聞起來不一樣，反之亦然。經(jīng)過修正的學(xué)說認(rèn)為，感受器也許是對(duì)分子振動(dòng)做出回應(yīng)。在1996年這個(gè)想法在量子學(xué)層面得到了進(jìn)一步的解釋——生物物理學(xué)家盧卡•都靈（Luca Turin）提出振動(dòng)可能會(huì)促進(jìn)電子的量子隧道效應(yīng)。打開嗅覺的“鎖”。嗅覺的量子理論也許聽起來很奇怪，但最近出現(xiàn)了支持的證據(jù)：果蠅可以分辨形狀完全相同、只是用了同一元素不同同位素的氣味分子，這用量子力學(xué)之外的理論很難解釋清楚。

或者考慮一下這個(gè)問題：我們已知一些鳥類和其他動(dòng)物會(huì)通過感知地球上非常微弱的磁場(chǎng)來導(dǎo)航，但它們是怎么辦到的，一直是個(gè)謎。很難想象到如此微弱的磁場(chǎng)如何在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。在另一個(gè)關(guān)于歐亞鴝的研究中出現(xiàn)了更深層次的問題，這種鳥的導(dǎo)航系統(tǒng)依賴光線，并且不同于常規(guī)的指南針，它探測(cè)的不是磁感線的朝向，而是磁感線相對(duì)于地表的角度。沒有人知道為什么。

直到20世紀(jì)70年代，德國(guó)化學(xué)家克勞斯•舒特恩（Klaus Schulten）發(fā)現(xiàn)一些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的粒子對(duì)會(huì)保持連接狀態(tài)，靠的是一種特殊的量子屬性——量子纏結(jié)。量子纏結(jié)允許遠(yuǎn)距離的粒子維持即時(shí)通訊，無論它們之間有多遠(yuǎn)，即便被扔在銀河系的兩端，它們之間仍然能難以理解地相互關(guān)聯(lián)。量子纏繞是如此詭異以至于提出黑洞和時(shí)空扭曲理論的阿爾伯特•愛因斯坦（Albert Einstein）本人說這是“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”。但數(shù)以百計(jì)的實(shí)驗(yàn)證明這是真實(shí)的。

舒特恩發(fā)現(xiàn)，纏結(jié)的粒子對(duì)會(huì)對(duì)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向極其敏感。他認(rèn)為神秘的鳥類導(dǎo)航也許用到了粒子的量子糾纏。幾乎沒有人認(rèn)同這個(gè)觀點(diǎn)，但在2000年時(shí)，舒特恩和他的學(xué)生索斯藤•麗茲（Thorsten Ritz）寫了一篇很有影響力的文章，這篇文章展示了在鳥的眼睛中，光是如何影響量子糾纏導(dǎo)航的。在2004年，麗茲與著名鳥類學(xué)家沃爾夫?qū)土_斯維塔•威爾科奇夫婦合作，他們找到了能令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明歐亞鴝每年在全球范圍內(nèi)遷徙時(shí)，的確存在愛因斯坦所說的“鬼魅”作用。

毫無疑問，導(dǎo)航和嗅覺非常重要，但這些對(duì)地球上的生命來說可能還談不上核心需求。那么我們來看看更主要的是什么。

會(huì)傳送的電子和長(zhǎng)眼睛的光

比方說酶。它們是生命世界的老黃牛，能夠加速化學(xué)反應(yīng)，在幾秒內(nèi)就完成要花數(shù)千年才能完成的過程。酶往往能讓反應(yīng)加快幾萬億倍，但它是怎么做到這一點(diǎn)的，一直是個(gè)謎。不過現(xiàn)在，加州伯克利大學(xué)的朱迪思•克蘭曼（Judith Klinman）和曼徹斯頓大學(xué)的奈杰爾•斯克魯頓（Nigel Scrutton）等人發(fā)現(xiàn)，酶有一個(gè)神奇的量子小竅門——隧道效應(yīng)。簡(jiǎn)單來說，酶在生物化學(xué)反應(yīng)中促進(jìn)了這樣個(gè)一過程：電子和質(zhì)子從生化分子的某處消失，同一瞬間在另一個(gè)地方出現(xiàn)，而不必經(jīng)過中間的任何地方——也就是某種意義上的“傳送”。

這都是非?；镜臇|西。這個(gè)星球上每個(gè)生物的每個(gè)細(xì)胞中的每一個(gè)生物分子，都是酶創(chuàng)造的。酶比任何其他成分（哪怕DNA，畢竟有些細(xì)胞沒有DNA也能活）都更有資格稱為生命的必備成分。而它們靠浸入量子世界來幫助我們存活下去。

我們還可以把論證再往前推一步。光合作用是地球上最重要的生化反應(yīng)。它負(fù)責(zé)將光，空氣，水和少量礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變成草，樹木，糧食以及以植物或食草動(dòng)物為食的我們。起初是由葉綠素分子捕獲光能。該光能被轉(zhuǎn)化為電能，然后這些電能將被輸送到被稱為反應(yīng)中心的生化工廠，在那里它們被用來固定二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化成植物物質(zhì)。長(zhǎng)期以來，這種能源運(yùn)輸?shù)倪^程讓研究者們著迷，因?yàn)樗梢匀绱烁咝А咏?00％ 。綠葉運(yùn)輸能量的過程是如何做到比我們最先進(jìn)的技術(shù)還要好的？

在加州大學(xué)伯克利分校，格雷厄姆•佛萊明（Graham Fleming）的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)利用“飛秒光譜技術(shù)”對(duì)光合作用的效率問題進(jìn)行了十多年的研究。從本質(zhì)上說，這個(gè)研究小組就是在極短的時(shí)間內(nèi)往光合作用復(fù)合物上照射激光，以找出光子抵達(dá)光合反應(yīng)中心的路徑。早在2007年，這個(gè)小組就研究了細(xì)菌中的FMO復(fù)合物。在這個(gè)復(fù)合物中，光子的能量需要通過一簇葉綠素分子。人們?cè)J(rèn)為在這個(gè)過程中，光子會(huì)如同帶電粒子一樣從一個(gè)葉綠素分子跳到另一個(gè)葉綠素分子上，就好比薛定諤的貓?jiān)跈M渡溪流時(shí)可能會(huì)從一塊石頭跳到另一塊上一樣。但這種解釋并不完全說得通。光子可沒有方向感，大多數(shù)光能應(yīng)該會(huì)漫無目的地往錯(cuò)誤的方向傳遞，最終一頭栽到“溪水”里?？墒?，在植物和能進(jìn)行光合作用的細(xì)菌中，幾乎全部光能都傳到了光合反應(yīng)中心。

當(dāng)研究小組向FMO系統(tǒng)發(fā)射激光時(shí)，他們觀察到了古怪的光回波——像是打著節(jié)奏一般的波。這些“量子鼓點(diǎn)”意味著光子的能量不是通過單一路徑傳入光合系統(tǒng)的，而是利用量子相干性同時(shí)從所有可能的路徑進(jìn)行傳遞。想象一下，薛定諤的貓咪在面對(duì)溪流時(shí)，不知怎的將自己分成了眾多完全一樣的、具有量子相干性的小貓咪。它們從所有可能的路線跳過一個(gè)個(gè)葉綠素礫石，來探尋最快捷的路線。現(xiàn)在，量子鼓點(diǎn)已經(jīng)在多種不同的光系統(tǒng)中被偵測(cè)到，像菠菜這樣的普通植物的光系統(tǒng)也不例外。這樣看來，為了讓我們有吃的，生物界最重要的反應(yīng)都在動(dòng)用量子世界的資源了呀。

如果對(duì)你來說，這樣都還不夠的話，我們最后來看看演化機(jī)制本身吧。薛定諤認(rèn)為突變可能與一種量子躍遷有關(guān)。在沃森和克里克那篇經(jīng)典的DNA文章中，他們提出基因突變可能牽扯到核苷酸堿基的“互變異構(gòu)”——互變異構(gòu)過程被認(rèn)為與量子隧穿效應(yīng)有關(guān)。在1999年，吉姆•艾爾-卡里利（Jim Al-Khalili）和我覺得質(zhì)子隧穿可能解釋一種特別的突變類型——所謂的“適應(yīng)性突變”。當(dāng)這種突變能為個(gè)體帶來好處時(shí)，這種突變似乎就會(huì)更加頻繁地發(fā)生。我們當(dāng)時(shí)的論文完全是理論性的，但我們現(xiàn)在正在試圖為DNA中的質(zhì)子隧穿找到實(shí)驗(yàn)證據(jù)。所以，請(qǐng)拭目以待。

盡管有了這么多量子解釋來闡述令人費(fèi)解的生命現(xiàn)象，我們卻發(fā)現(xiàn)自己陷入了更深的謎團(tuán)中。量子相干性是個(gè)極度脆弱的現(xiàn)象，依賴于粒子波的步調(diào)一致。為了保持量子相干性，物理學(xué)家們通常不得不將系統(tǒng)置于幾乎完全真空的狀態(tài)，并且將系統(tǒng)降溫至接近絕對(duì)零度，以停止任何熱驅(qū)動(dòng)的分子運(yùn)動(dòng)。分子振動(dòng)是量子相干性的死敵。

那如果是那樣的話，為什么生物能夠設(shè)法在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里保持自己的分子秩序，以在溫暖潮濕的細(xì)胞環(huán)境中也能上演量子戲法？這仍舊是個(gè)深?yuàn)W的謎題。最近有研究提供了一項(xiàng)誘人提示：生物不但沒有試圖避免那分子的“風(fēng)暴”，反而接受了它們。生物就像是利用疾風(fēng)狂潮來保持船體直立著駛往正確航向的船長(zhǎng)一樣。正如薛定諤所預(yù)言的那樣，生命是沿著量子邊界——經(jīng)典世界與量子世界間的狹窄“溪流”——在悠然航行。（編輯：Ent）

文章題圖：nature.com

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