本书纸版由浙江人民出版社于2016年8月出版

    作者授权湛庐文化(Cheers Publishing)作中国大陆(地区)电子版发

    行(限简体中文)

    版权所有·侵权必究

    书名：神秘的量子生命

    著者：[英]吉姆?艾尔-哈利利 约翰乔?麦克法登 著

    字数：291000

    电子书定价：41.99美元

    Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden. Life on the Edge: The Coming of Age

    of Quantum Biology Copyright ? 2014 Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadde

    n目 录

    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

    动物大迁徒

    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

    神奇的生命

    活力论

    机械论

    生命科学新发现

    量子力学，物理学的一场革命

    量子生物学的兴起

    来自有序的有序

    生命是量子的

    02 酶是生命的引擎

    生死攸关的酶

    蝌蚪的尾巴哪去了

    一场精心编排的分子舞蹈

    呼吸酶与呼吸作用

    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

    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

    异常灵敏的嗅觉

    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，臭鸡蛋的味道是78太赫

    鼻子之争

    刷卡模型，嗅觉的量子计算

    05 帝王蝶与知更鸟的磁感应

    帝王蝶的迁徙之谜

    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

    遗失的世界

    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

    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

    离子通道

    08 生命的起源

    米勒-尤里实验

    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 我们一定会创造出遵循量子理论的新生命

    量子生物学的新发现

    寻找生命的原动力

    风暴边缘上的生命

    量子生物学的力量

    从头开始制造生命

    理解生命，创造生命

    后记

    量子生命

    译者后记扫码进入湛庐“生命科学”读者群，与小伙伴“同读共进”!

    中文版序

    踏上探索之旅，感受量子生物学的澎湃

    听闻本书的中文版即将面世，我感到非常高兴。近年来，中国在世

    界科学研究中扮演的角色日益重要，涌现出了许多新的研究成果。因此

    ，我觉得让更多中国朋友了解量子生物学这样一个令人兴奋而又刚刚起

    步的新学科可谓非常重要。

    我是一名出生于伊拉克的英国理论物理学家，目前供职于英国的萨

    里大学。本书的另一位作者，分子遗传学家约翰乔·麦克法登也在这所

    大学任职。在整个学术生涯中，我一直致力于研究核物理，专长是用量

    子力学研究原子核间的模型反应。坦白地说，我的专业其实和生物学相

    去甚远!

    除了物理学教授的工作外，我还会抽些时间通过不同的媒体做一些

    科普工作：图书、公开课、电视或广播节目等。比如，在过去的十年间

    ，我曾为英国广播公司(BBC)策划、制作过多部节目，内容广泛涉及

    各种科学话题。从事科普的经历让我和来自不同专业领域的科学家也能相谈甚欢。

    大约是1997年的一天，约翰乔·麦克法登教授从校园另一边的生物

    系来到物理系。他组织了一次研讨会，并在会上向我们介绍了分子生物

    学中的一个研究领域——某些种类的细菌如何发生突变。他认为，要想

    解决该问题离不开量子力学。不出所料，他的观点饱受争议。然而，这

    也成了我们两人非正式合作的开始。近20年后，本书的出版将我们的合

    作推向了高潮，而这本书也成为世界上第一本介绍量子生物学的专著。

    正如我们在引言中所说，因为各方面原因，量子生物学还只是一个

    充满争议和推测的新兴研究领域。首先，即便是在更传统的物理学或化

    学领域，量子力学都略显晦涩，更不用说在混乱复杂的活细胞环境中了

    ——活细胞中数以千计的生化反应无时无刻不在进行，由酶、其他蛋白

    质和大分子参与的复杂过程在生物体中执行着各类不可思议的任务。在

    过去的几十年间，生物学家们对生命过程的理解取得了重大的进展，因

    此不难理解，他们最不想听到的观点就是，要想完全理解某些生命过程

    ，还需要用到量子力学的知识。

    大多数生物学家确实不需要和量子力学打交道，因此他们之前并没

    有详细地学过量子力学，而现在他们也不太愿意从头学起。同样，每天

    都要用到量子力学的物理学家们更愿意将量子力学用于他们能够理解和

    控制的系统，而不是一层又一层地对生物化学进行剖析。

    既然生物学家们和物理学家们都没有准备好张开双臂迎接这个连接

    两大学科的新领域，那么处于他们之间的化学家们又是怎样的态度呢？

    毕竟，化学家们经常使用量子力学来描述各类不同的分子过程，而且像

    物理学家们一样，在过去几十年中，他们已经习惯了原子世界违反直觉

    的特征以及量子力学对这些现象的准确描述。此外，化学家们同样经常

    研究生命系统内发生的反应。生命如果不是纷繁复杂的化学过程又能是什么呢？在英语中，我们甚至会使用“生命的化学”(the chemistry of life)这样的词语。因此，你可能会觉得化学家们会是第一批拥抱量子生物

    学的人。确实，这个新兴学科的许多成果来自使用激光、光谱等技术来

    研究生物大分子行为的化学家们。

    但即使这样，大多数化学家还是不愿意接纳这个领域。生物学家们

    不想学量子力学，物理学家们不想将量子力学应用到环境复杂的活细胞

    中去，而化学家们的理由与他们不同。化学家们认为，当深入到生命体

    的分子层面时，观察到遵循量子力学规律的现象不足为奇。他们认为，如果挖掘得足够深入，一切事物都是量子的。

    但这正是量子生物学的独特之处。当我们在谈论量子生物学时我们

    想说的是什么呢？我们为什么觉得本书如此令人兴奋呢？因为对一些非

    专业人士来说，量子世界的一些性质简直就像魔法，而我们讲述的内容

    其实很容易理解——你可能早已听说过类似的科普解释——比如原子同

    时出现在两个地方、粒子像波一样扩散或者若两个分离的粒子相互纠缠

    ，那我们对一个粒子的作用会同时影响远处的另一个粒子。正是这些量

    子世界违反直觉的特征让我们开始更为深入地理解生命系统。目前看来

    ，生命似乎演化出了各种方法，利用量子世界的“戏法”来为自己的生

    存提供便利。

    光合作用的过程便是一例。植物通过光合作用来获得营养。现在我

    们开始认识到，该过程的一个环节需要植物固定的光能同时向多个方向

    游走。如果你之前没有接触过量子力学的话，估计现在还不太能理解上

    面这句话。不过没关系，我向你保证，我们会在书中清楚地解释这一切。

    我想，阅读并了解这个新的领域一定会让你乐在其中。虽然你可能

    会有些疑惑，但探索一个新学科不就该如此吗？如果量子生物学太过简

    单，它的出现也就不会给科学界带来如此的惊喜了。最后，我们邀请你引言

    没有量子力学，就不会有生命

    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。今年冬天，欧洲寒冷的天气比往年来得更早一些，夜晚的空气中透着刺

    骨的严寒。在一只年轻知更鸟的脑海深处，一个曾经模糊的信念正在变得清

    晰而强烈。

    在过去的几周里，这只知更鸟吞食了大量的昆虫、蜘蛛、蠕虫和浆果，远远超过了它的正常食量。现在，它的体重几乎有八月份时的两倍了。那时

    ，它生育的一窝幼雏在学会飞翔后刚刚离巢。这只知更鸟多余的体重绝大部

    分以脂肪的形式储存，在它即将启程的艰苦旅途中，它需要这些脂肪作为飞

    行的燃料。

    这将是它第一次离开瑞典中部的这片云杉林迁徙去南方。在这片土地上

    ，它度过了自己短暂的前半生。几个月前，也是在这片土地上，它生产并抚

    育了自己年幼的孩子们。它其实还算幸运，因为去年的冬天并不是一个寒冬

    ，而那时的它羽翼未丰，不够强壮，并不能踏上这样漫长的征程。因为直到

    来年春天它才会再次承担为人父母的责任，现在它需要考虑的只有自己，所

    以，它准备逃离即将来临的寒冬，一路向南，去享受南方更加温暖的气候。

    距日落已近两个小时了，它并没有钻进爱巢准备过夜，而是在夜色中跳

    到了一棵大树靠近主干的枝头上。从春天开始，它就已经把家安在了这棵树

    上。它快速地抖动一下全身，就像一个马拉松运动员在赛跑前放松自己的肌

    肉。它橙色的胸脯在月光下闪闪发亮。几尺开外就是它的爱巢，半遮半掩地

    藏在长满苔藓的树干后面。为了筑建这个家所付出的艰辛努力和悉心照料，此刻都变成了朦朦胧胧的回忆。

    它并不是唯一一只准备启程的鸟。其他的知更鸟，无论是雄性还是雌性

    ，都已经确定，今晚就是它们应该开始漫长南迁之旅的日子。在四周的树林

    中，渐次响起了知更鸟高亢而尖锐的鸣唱，将其他林栖夜行动物发出的声响压了下去，仿佛它们感觉有必要向林中其他的栖居者们宣布自己的离开，并

    警告自己的邻居，在它们离家期间，想侵入它们的领地和鸟巢要三思而行。

    因为，这些知更鸟绝大部分都会在来年春天回到这里。

    它快速地把头向一侧倾斜又歪向另一侧，以保证身体的灵活，紧接着猛

    然冲进了夜空。随着冬天的迫近，夜越来越长，在下次休息前，它可能要一

    口气飞上10个小时或是更长时间。

    它是朝着195°的方向出发的，也就是南偏西15°。在未来的几天，它差

    不多会一直朝着这个方向飞行，顺利的话，一天能飞上320公里。它不知道

    旅途上会发生什么，也不知道旅途会有多长。云杉林附近的地形它还算熟悉

    ，但飞出几公里后，月光下的景色就是陌生的湖泊、山谷和小镇了。

    虽然它并不是要去一个特定的地方，但它的目的地大约是在地中海边上

    的某处。当发现一处环境宜人的地方时，它就会停下来，记好附近的地标，好在往后的几年中再回到那里。如果力气足够，它甚至会一口气飞越地中海

    ，到达北非的海滨。不过，这才是它的第一次南迁，当务之急是逃离斯堪的

    纳维亚半岛刺骨的寒冬，所以它或许不会飞那么远。

    它似乎没有察觉到，周围的知更鸟们也在朝着大致相同的方向飞行，有

    些之前甚至已经南迁过多次了。它的夜视能力极佳，但并没有像我们在长途

    旅行中那样寻觅任何地标，它也没有像其他夜间迁徙的鸟类一样，通过追踪

    晴朗夜空中星星的位置并对照头脑中的星图来确定方向。相反，数百万年的

    进化让它获得一项不同凡响的能力，来帮助它完成每年秋天大约3 000公里的

    例行迁徙。

    动物大迁徒

    迁徙，在动物王国中是一件平淡无奇的事情。比如，每年冬天，鲑

    鱼都会在欧洲北部的河流和湖泊中产卵，卵孵化成幼小的鱼苗，顺着河

    道流入大海，在北大西洋中发育成熟，三年后，这些年轻的鲑鱼溯流而

    上，重新回到它们孵化的河流与湖泊中去交配繁衍。帝王蝶会在秋天迁

    徙数千公里，向南穿过整个美国。它们或者它们的后代(它们会在迁徙途中繁衍后代)又会向北回迁，回到当初自己的先辈化蛹的同一片树林。在南大西洋阿森松岛(Ascension Island)海滩上孵化的绿海龟在海洋

    中游了数千公里后，每三年会回到那个它们当初出生的撒满蛋壳的沙滩

    上去产卵繁殖。这样的故事还有很多：许多候鸟、鲸鱼、北美驯鹿、多

    刺龙虾、蛙类、蝾螈，甚至是蜜蜂都有能力进行足以让最伟大的人类探

    险家都感觉困难的长途跋涉。

    几个世纪以来，这些动物如何在环球迁徙中找到自己的方向一直是

    一个谜。现在我们知道，它们各有神通：有些动物会在日间利用太阳、在夜间利用恒星的相对位置来导航；有些动物会记忆地标；有些动物甚

    至能闻到它们在这个星球上该走的路。但导航能力最不可思议的要数知

    更鸟：它们能感知到地球磁场的方向与强度。这种能力被称为磁感应(

    magnetoreception)。虽然现在我们知道有一些其他生物也拥有这项能力

    ，但我们最感兴趣的还是知更鸟在跨越大半个地球的旅程中是如何找到

    自己的方向的。

    让知更鸟知道该飞多远、朝哪个方向飞的机理，其实已经编码在它

    们从父母那里继承来的基因之中了。这是一种复杂而又不同寻常的能力

    ，让它能依靠这种第六感来确定自己的航向。像许多其他的鸟类一样(

    甚至还包括一些昆虫和海洋生物)，知更鸟拥有感知地球微弱磁场的能

    力，并能依靠内在的导航直觉，从地磁场中得出方向性的信息。就知更

    鸟而言，它的导航直觉需要一种新式的化学罗盘作为指引。

    磁感应真是个谜题。问题的关键在于地球的磁场非常微弱。地表的

    磁场在30～70微特斯拉 [1]

    之间，这一数值虽然足以使一个处于微妙平

    衡中且几乎没有阻力的罗盘指针偏转，但它只有一个普通冰箱贴磁力的

    1%。这就出现了使人困惑的谜题：动物要想感知到地磁场，其体内某

    处的一个化学反应必然在某种程度上要受到地磁场的影响——这是包括

    我们在内的所有生物感知外界信号的方式。但是，地磁场与活体细胞内量子

    quantum

    发热体表面的物质在以一定

    的离散频率振动，导致热能

    只能通过微小而离散的能量

    团进行辐射，而且这些能量

    团不可以再分，被称为“量

    子”。

    的分子相互作用所产生的能量还不及使一个化学键形成或断裂所需能量

    的1109 。那么，知更鸟究竟是如何感知到地磁场的呢？

    这样的谜题无论多么微不足道都足

    以令人着迷，因为这些谜题的答案可能

    将我们对世界的认识引向一种根本性转

    变的新方向。比如，16世纪时，哥白尼

    曾深思托勒密地心说模型中一个相对次

    要的几何关系问题，这最终让他发现我

    们人类并不是整个宇宙的中心。达尔文

    痴迷于研究动物物种的地理分布与孤立

    小岛上雀类喙的异化之谜，最后他基于

    此提出了著名的进化论。德国物理学家

    马克斯·普朗克(Max Planck)关心物体

    热辐射的问题，他开始追寻黑体辐射之

    谜的解答，因此发现能量以名为“量子”

    (quantum)的离散团块传递，并最终在1900年引导了量子理论的诞生。那么，对于“鸟儿们如何在跨越半球的迁徙中找到方向”的解答是否也

    能掀起一场生物学革命呢？虽然有点出人意料，但答案是肯定的。

    但是，像这样的谜题，也会让伪科学家与神秘主义者们魂牵梦绕。

    正如牛津大学的化学家彼得·阿特金斯(Peter Atkins)在1976年所说：“

    磁场对化学反应的影响——这一研究一直是冒充内行的骗子们嬉闹的领

    域。”事实也的确如此，各种古怪的解释都在某种程度上被当作候鸟迁

    徙时确定路线的机理。比如，心灵感应、古老的“灵线”(ley lines，连

    接不同考古或地理标志性地点的隐形线路，被认为拥有精神能量)、由

    “超心理学家”鲁珀特·谢尔德雷克(Rupert Sheldrake)发明的饱受争议的

    “形态共振”(morphic resonance)理论，不一而足。因此，阿特金斯在2

    0世纪70年代的看法也就变得可以理解，那反映了当时在大多数科学家中流行的对“动物可能有能力感知到地球磁场”的想法所持的怀疑主义态

    度。似乎没有任何分子机理能够允许动物拥有感应磁场的能力，至少在

    传统的生物化学领域，这样的机理并不存在。

    但就在彼得·阿特金斯表达了他的怀疑论的同一年，一对住在法兰

    克福的德国鸟类学家伉俪沃尔夫冈·维尔奇科与罗斯维塔·维尔奇科(Wo

    lfgang and Roswitha Wiltschko)在世界最顶尖的学术杂志《科学》上发

    表了一篇突破性的论文，毋庸置疑地说明知更鸟确实能够感知到地球磁

    场。更令人惊奇的是，他们发现这些鸟儿们的感知能力与普通指南针的

    工作原理似乎并不相同。因为，指南针能够测量出从地磁北极到地磁南

    极的磁场差异，而知更鸟只能够判断出地极到赤道的磁场差异。

    要理解指南针是如何工作的，我们需要先了解一下磁场线。磁场线

    是确定磁场方向的无形轨道。放在磁场中任意位置后，罗盘指针会自动

    与磁场线平行对齐。在一块条形磁铁上放一张纸，上面撒上铁屑，铁屑

    自动排列形成的模式，就是最常见的磁场线的形式。现在，请想象整个

    地球是一个巨大的条形磁铁，其磁场线从地球的南极发出，向外辐射，弯曲成环，最终汇入北极(见图0-1)。图0-1 地球磁场

    在两极附近，这些磁场线的方向几乎是垂直传入或传出地面的，但

    是，越接近赤道，这些磁场线就越平而且越接近与地表平行。因此，我

    们把一种测量磁场线与地球表面夹角的罗盘称为“磁倾角罗盘”(inclinati

    on compass)，该罗盘能够区分朝向地极与朝向赤道的方向。但这种罗

    盘并不能区分南北极，因为磁场线在地球的两个半球都会与地面产生相

    同的夹角。维尔奇科夫妇在1976年的研究中发现，知更鸟的磁感知能力

    正像这种磁倾角罗盘。可问题在于，当时没有人对这种生物磁倾角罗盘

    的工作原理有任何头绪。因为，在那个时候，人们完全无法想象，也没有已知的原理可以解释动物如何能在自己体内测出磁场线与地面的夹角。答案原来藏在当代最令人震惊的科学领域之中，其原理与量子力学的

    奇异理论有扯不断的关系。

    万物背后的量子真相

    假如今天在科学家中间进行一项民意调查，问他们什么是整个科学

    领域最成功、影响最深远、最重要的理论，答案可能会取决于你所问的

    科学家是在非生物科学领域还是生物科学领域。绝大多数生物学家认为

    达尔文的自然选择进化论是人类有史以来最意义深远的理论，而一个物

    理学家则更倾向于认为量子力学理论才应该占据科学中的首要位置，因

    为量子力学构筑了大部分现代物理学与化学的基石，揭示了宇宙的基本

    构成单位，并向人类展现了一幅非凡的宇宙全景。确实，如果没有量子

    力学的解释，我们目前对世界如何运转的大部分看法都不能成立。

    几乎每个人都听说过“量子力学”，不过，认为“量子力学是一门艰

    深而难以理解的科学，只有极小部分非常聪明的人能够理解它”的想法

    一直很普遍。但事实是，从20世纪早期开始，量子力学就已经成了我们

    所有人生活的一部分。量子力学在20世纪20年代中期发展为一种解释极

    小世界(现称微观世界)的数学理论。原子构成了我们眼睛所见的一切

    事物，而量子力学描述了原子的行为以及构成这些原子的更小粒子的性

    质。比如，通过描述电子运动所遵循的规则以及电子在原子内部如何安

    排自己的行为，量子力学奠定了整个化学、材料科学甚至电子学的基础。不仅如此，过去半个世纪中大多数技术进步都以量子力学的数学规则

    为核心。

    如果没有量子力学对电子如何在材料中穿梭的解释，我们就无法理解半导体的行为；而半导体又是现代电子学的基础，如果没有对半导体

    的理解，我们就无法发明出硅晶体管，以及后来的微芯片及现代计算机。这样的例子不胜枚举：没有量子力学对我们知识的提升，就不会有激

    光，也就没有CD、DVD或是蓝光影碟播放器；没有量子力学，我们就

    不会有智能手机、卫星导航或是核磁共振成像扫描仪。事实上，有估计

    称，如果没有我们对量子世界中力学原理的理解，发达国家超过13的

    国内生产总值将无法实现。

    这才仅仅是个开始。在有生之年，我们十有八九会见证一个量子时

    代到来。那个时候，人类可以从激光驱动的核聚变中获得近于无限的电

    能；分子级别的人造机器会在工程、生化及医药领域帮助人类完成大量

    的任务；量子计算机将开始提供人工智能；从前只在科幻作品中出现的

    远距传物技术将很有可能成为信息传递的常规方式。发端于20世纪的量

    子革命将在21世纪持续加速，以不可想象的方式改变我们的生活。

    但是，量子力学究竟是什么呢？对这个问题的探索将是贯穿本书的

    线索。对于初次接触量子力学的尝鲜者，此处我们以几例量子力学对生

    活潜移默化的影响为开始，向你展现这些真相如何塑造了我们的生活。

    |奇特的波粒二象性|

    第一个例子表现的是量子世界中最奇特的特征，也可以说是量子世

    界的决定性特征：波粒二象性。

    我们已经熟悉了世界的构成，知道自己周围的所有物体都是由许许

    多多微小而离散的粒子构成的，比如原子、电子、质子和中子。你可能

    也知道，能量(比如声或光)以波的形式传播，而非粒子。波会向外扩

    散，而不是像粒子那样向四周移动；波在空间穿过，会像大海里的波涛

    一样，形成波峰和波谷。20世纪早期，科学家发现亚原子粒子可以像波一样运动，而光波具有粒子的性质。量子力学正是在那个时候诞生的。

    虽然波粒二象性不是什么你每天都需要考虑的事情，但它构成了许

    多非常重要机械的基础，比如电子显微镜。电子显微镜让医生和科学家

    能够看见、分辨并研究用传统光学显微镜看不见的极微小物体，比如艾

    滋病毒和普通流感病毒。“电子具有波的性质”这一发现直接催生了电子

    显微镜的发明。

    德国科学家马克斯·克诺尔(Max Knoll)和恩斯特·鲁斯卡(Ernst R

    uska)发现，因为电子产生的波长(指任一波中连续两个波峰或波谷之

    间的距离)比可见光的波长要短得多，因此基于电子成像的显微镜会比

    普通的光学显微镜捕捉到更多的细节。这是因为，当波遇到任何微小的

    物体后，如果这一物体的三维比波的波长要短，那么这个物体将不会影

    响和改变波的传播，就像波长几米的海浪冲击着沙滩上的鹅卵石一样。

    你需要更短的波长，比如那种在学校的科学实验课上常见的水槽里的涟

    漪，才能在遇到鹅卵石后产生反射和衍射，使我们最终“看见”这个鹅卵

    石。因此，克诺尔和鲁斯卡在1931年制造了世界上第一台电子显微镜，并用它拍下了世界上第一张病毒的照片。恩斯特·鲁斯卡因此获得了198

    6年的诺贝尔物理学奖。这个奖颁得或许有些迟了，因为克诺尔在多年

    前已经逝世(1969年)，而鲁斯卡在得奖两年后也离开了人世。

    |量子遂穿，“穿墙而过”的粒子|

    第二个例子将更加重要。你知道太阳为什么会发光吗？

    大多数人可能知道太阳本质上是一个核聚变反应堆，消耗氢来释放

    热量和阳光，而阳光维持了地球上的所有生命。但是，很少有人知道，如果没有那让粒子“穿墙而过”的奇异量子性质，太阳根本不会发光。太

    阳(或者说宇宙中的所有恒星)之所以能够放射如此大量的能量，是因为氢原子的原子核(也就是带有一个单位正电荷的质子)能够聚变，并

    以我们称为阳光的电磁辐射释放能量。两个氢原子核要想聚变，就需要

    靠得非常近，但两者靠得越近，相互间的排斥力就越大，因为它们各携

    带一个正电荷，而同种电荷互相排斥。

    事实上，如果要让两个质子靠近到足以聚变，那么两个质子必须要

    有能力穿越一堵亚原子尺度的“砖墙”：一个明显不可穿透的能量壁垒。

    经典物理学 [2]

    ——构建在牛顿定律之上，能够很好地描述日常生活中

    球体、弹簧、蒸汽引擎，甚至是天体的受力和运动——认为这样的穿越

    不可能发生。换句话说，因为粒子不可能穿墙而过，所以太阳也不应该

    发光。

    但是原子核这一类遵循量子力学原理的粒子却暗藏玄机：它们通过

    一种被称为“量子隧穿”(quantum tunneling)的过程，可以轻松地穿透

    上述的壁垒。从本质上讲，是它们的波粒二象性使它们能够完成隧穿。

    正如海浪可以绕过物体(比如沙滩上的卵石)传播一样，波也可以绕过

    物体传播(比如声波可以穿透墙壁，让你听到邻居家的电视声)。当然

    ，作为声波的介质，空气并没有真正地穿透墙壁：空气中的振动，也就

    是声音，使你和邻居共用的墙壁发生振动，而此振动又推动你房间中的

    空气，将相同的声波传入你的耳中。但原子核却不一样，如果你能像原

    子核一样行动，那么有时候，你真的能够像幽灵一般直接穿过坚实的壁

    垒。 [3]

    太阳内部的氢原子核所做的正是如此：它能让自己传播出来，像幽灵一样穿透能量壁垒，使自己与墙另一边的伙伴靠得足够近来完成

    聚变反应。因此，当你下一次在沙滩上晒太阳时，不妨看看拍打着沙滩

    的海浪，想一想量子粒子像幽灵一样波动，这种波动不仅能够让你享受

    温暖的阳光，也使得我们星球上所有的生命成为可能。

    |叠加态：华尔兹与爵士共舞|第三个例子与前面的例子也相关，但展现了量子世界不同甚至更加

    奇怪的特征：一种被称为“叠加态”(superposition)的现象。

    叠加态现象指粒子可以同时完成两件、100件甚至100万件事情。这

    个性质可以解释我们的宇宙为什么如此复杂而有趣。在大爆炸之后，宇

    宙诞生，彼时的空间中充斥着单一的原子，即以最简单的形式存在的氢

    原子——由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成。那是一个

    相当单调的世界，没有恒星或是行星，当然，也不会有任何生命。因为

    ，包括我们自己在内，构成我们周围一切事物的“基本单位”，都是比氢

    原子更为复杂的物质，比如像碳、氧、铁这样更重的元素。幸运的是，在充满氢的恒星内部，可以利用氢的另一种形态来生成这些更重的元素。氢的这种更重的形态叫作氘或重氢。而氘原子之所以能存在，多少要

    归功于量子的魔法。

    如前所述，合成的第一步是两个氢原子核，也就是质子，通过量子

    隧穿效应靠得足够近时，释放一些能量。正是这些能量变成的阳光温暖

    着我们的星球。第二步，两个质子必须结合在一起，这个过程并不容易

    ，因为两个质子间的作用并不能提供足够的黏合力。所有的原子核其实

    由两种粒子构成：质子和电中性的中子。如果原子核中某一种粒子太多

    ，量子力学的原理就认为原子核内的平衡会重新调整，部分多余的粒子

    会转变为另一种粒子：质子变成中子或是中子变成质子。这种转变的过

    程被称为β衰变(beta-decay)。两个质子结合时所发生的事情正是如此

    ：两个质子不能共存，其中之一会β衰变为中子。剩余的质子与新生成

    的中子会结合形成一种新的物质氘核(氢的同位素 [4]

    氘的原子核)，之后，氘核会进一步发生核反应，合成更加复杂的、重于氢的原子核，从氦(两个质子加一个或两个中子)到碳、氮、氧，以此类推。

    此处的重点在于，氘核的存在归功于其能同时以两种状态出现的能

    力，而这种能力恰是量子叠加态的体现。这是因为，由于自旋方式的不同，质子和中子能以两种不同的方式结合。我们随后将详细考察“量子

    自旋”(quantum spin)的概念与我们所熟悉的宏观物体(如网球)的旋

    转究竟有何不同，而现在，我们将暂时跟随自己对自旋粒子的直觉，把

    氘核内质子和中子的共同旋转，想象成一场精心编排的“舞蹈”，而这舞

    蹈结合了“缓慢亲密的华尔兹”与“节奏稍快的爵士”两种特点。早在20世

    纪30年代晚期，科学家就发现，氘核内部的这两种粒子并不是以这一种

    或那一种形式在共舞，而是同时以两种状态在舞蹈——它们同时跳着“

    华尔兹”和“爵士”——而正是这种舞蹈形式，将它们紧密结合在了一起。 [5]

    看了上文，你可能不禁要问：“你们是怎么知道的？”是的，原子核

    太小了，远非肉眼所能看见，那么，为了更合情理，我们是不是该假设

    自己对“核力”的理解还不够完善呢？答案是否定的。上文的结论已经在

    多个实验室被反复证明：如果质子和中子以“量子华尔兹”或“量子爵士”

    的任意一种形式结合，两者间的核“黏合力”都不足以强到使两者结合在

    一起；只有两者互相叠加时，也就是两种状态同时存在时，黏合力才足

    够强。我们可以将这两种状态的叠加想象为两种颜料的混合(如蓝色和

    黄色，混合后会形成一种新的颜色——绿色)，虽然你知道绿色是由最

    初的两种颜色混合而成的，但它既不是蓝色也不是黄色。不同比例的蓝

    色和黄色混合，也能创造出不同色调的绿色。同样地，质子和中子能够

    结合为氘核，是因为它们的舞蹈大部分是“华尔兹”，但同时也混合着一

    小部分“爵士”。

    因此，如果粒子们不能同时共舞“华尔兹”和“爵士”，那么我们的宇

    宙到现在还是一锅氢气粥，除了氢气外别无他物——没有发光的恒星，没有其他元素，你也不会在这儿读这些文字了。我们能够存在，是因为

    质子和中子以反直觉的量子方式存在着。|核磁共振的秘密|

    我们的最后一个例子要把大家带回到技术世界中。量子世界的性质

    不仅可以用来观察像病毒一样微小的事物，也可以用来观察我们的身体

    内部。核磁共振成像是一种医疗扫描技术，能够造出细节极其丰富的软

    组织图像。核磁共振成像通常被用来诊断疾病，特别是探测内部器官上

    的肿瘤。大多数介绍核磁共振成像扫描仪的通俗说明都没有提到，其实

    此项技术依赖于量子世界奇特的运转原理。核磁共振成像扫描仪使用磁

    力强劲的大型磁铁将病人体内氢原子核的自旋轴排列整齐。之后，这些

    原子被放射波脉冲刺激，迫使排列整齐的原子核以奇特的量子状态存在

    ，同时向两个方向自旋。试着将这个过程视觉化对理解它并没有什么作

    用，因为目前它离我们的日常生活还很遥远。重点在于当这些原子核重

    新回到最初的状态(即它们还未接受能量脉冲的刺激而进入量子叠加态)时，它们会把之前接受的能量释放出来。核磁共振成像扫描仪上的电

    子仪器将收集这些能量，并以此为患者体内的器官造影，生成细节丰富

    的图像。

    因此，如果你有机会躺在一台核磁共振成像扫描仪里，或许还一边

    听着耳机里的音乐 [6]

    ，不妨花一小会儿时间想想亚原子粒子反直觉的

    量子行为，因为正是这种行为让核磁共振成像技术成为可能。

    知更鸟是如何感知方向的

    上面所有这些量子世界的奇异现象与知更鸟依靠自身导航跨越半球

    的航行有什么关系呢？对了，你应该还记得维尔奇科夫妇在20世纪70年

    代早期的研究：知更鸟的地磁觉与磁倾角罗盘的工作原理相同。这让人

    极其迷惑，因为那个时候，没有任何人对生物磁倾角罗盘的工作原理有量子纠缠

    quantum entanglement

    指曾经在一起的粒子，无论

    分开多么遥远的距离，都能

    保持瞬时的、近乎幽灵般的

    联系。

    头绪。

    然而，大约在同一时期，一位叫克劳斯·舒尔滕(Klaus Schulten)

    的德国科学家对自由基(free radical)相关的化学反应中电子的转移方

    式产生了兴趣。他发现，大多数电子在原子轨道中成对出现，而分子的

    外层轨道却有孤电子存在。联系到奇怪的量子自旋性质，这个发现就显

    得重要起来。因为，配对的电子向相反的方向自旋，它们的合自旋也就

    抵消为零。但是，如果没有配对电子可以抵消自旋，自由基中的孤电子

    就会产生净自旋，并拥有磁性：在磁场中就可以统一排列它们的自旋。

    舒尔滕提出，在高速三重态反应(fast triplet reaction)中会产生成

    对的自由基，而自由基中对应的成对孤电子会处于“量子纠缠”(quantu

    m entanglement)的状态。由于某些难以理解的原因(后文会介绍)，被分开的两个电子处于微妙的量子状态，对任何外部的磁场方向极度敏

    感。舒尔滕进一步认为，谜一般的鸟类罗盘可能使用了量子纠缠的机理。

    行文至此，我们还未事先解释量子

    纠缠，这是因为这可能是量子力学中最

    奇异的性质了。量子纠缠是指，曾经在

    一起的粒子，无论分开多么遥远的距离

    ，都能保持瞬时的、近乎魔法般的联系。比如，曾经相距很近的两个粒子被分

    开很远很远，就算分到宇宙的两边，至

    少在理论上讲，它们仍然能够相互联系。实际上，刺激一个粒子，会让它远在

    天边的伙伴同时跃起。 [7]

    据量子力学先驱们的展示，量子纠缠能很好地符合他们列出的方程

    式，但由于其造成的影响太不可思议了，以至于伟大如提出黑洞和时空弯曲的爱因斯坦，也拒绝接受它，嘲笑量子纠缠不过是“远距离的幽灵

    作用”。这种“远距离的幽灵作用”也确实激起了“量子神秘主义者们”的

    兴趣，让他们做出了关于量子纠缠的夸大陈述，比如，认为量子纠缠可

    以解释诸如心灵感应等超自然现象。

    爱因斯坦持怀疑态度，是因为量子纠缠违背了他的相对论，而相对

    论认为没有任何影响和信号能在空间中以比光更快的速度传播。按照爱

    因斯坦的理论，相距遥远的粒子不应该拥有幽灵般的同步联结。但就此

    事而言，爱因斯坦错了：现在，我们已经通过实证发现，量子粒子确实

    有远距离的瞬时联系。但即便这样，为了防止你胡思乱想，必须要澄清

    一下，量子纠缠并不能被用来证实心灵感应的存在。

    在20世纪70年代早期，如果有谁认为量子纠缠这种奇特性质参与了

    普通化学反应，人们就会觉得他在异想天开。在那时，许多科学家支持

    爱因斯坦，他们怀疑处于纠缠态的粒子是否真的存在，毕竟还从未有人

    发现过这样的粒子。但在那之后的几十年间，许多实验室设计了巧妙的

    实验，证实了这种幽灵般的联结，其中最著名的要数早在1982年由阿兰

    ·阿斯拜克特(Alain Aspect)领导的一组法国科学家在南巴黎大学进行

    的实验。

    阿斯拜克特的团队让成对的光子(光的粒子)处在了纠缠偏振状态。偏光太阳镜可能让我们对偏振光已经很熟悉了。每一个光子都有其方

    向性和偏振的角度，与我们之前介绍的自旋性质很相似。 [8]

    阳光中的

    光子包含所有的偏振方向，而偏振太阳镜会过滤掉这些光子，只允许某

    个特定偏振角度的光子通过。阿斯拜克特生成了成对的光子，不仅偏振

    方向不同(比如一个向上一个向下)，而且互相纠缠。正如之前那个舞

    伴的比喻，这两个光子中的任意一个，并不是真的朝此或是彼方向偏振

    ，而是同时既向此又向彼方向偏振，接下来就要测量它们了。

    测量是量子力学中最不可思议也是最有争议的地方。它与一个你一定已经想到的问题有关：为什么我们看到的所有物体不会像量子粒子

    一样完成这些怪异而又神奇的事情呢？答案是，在微观的量子世界中

    ，粒子们之所以能够表现得如此奇特(比如同时做两件事、能穿墙而

    过、拥有幽灵般的联结)，是因为没有人在看。一旦用某些方法去观

    察或是测量它们，它们就会失去这些特异性，表现得像我们周围随处

    可见的那些经典的普通物体一样了。

    当然，这只会带来另一个问题：测量究竟有什么特别之处，能让量

    子粒子从量子行为变成了符合经典物理学的行为？ [9]

    这个问题的答案

    对本书的故事很重要，因为测量正处于量子世界与经典世界的边界上，可能你从本书的英文书名中也猜到了一二，生命也处在这个地方，即处

    于量子的边缘。

    对量子测量的探索将会贯穿全书，而我们也希望你能逐渐掌握探索

    过程中难以理解的微妙之处。现在，我们将仅仅考虑对此现象最简单的

    理解，姑且认为用科学的工具测量一个量子性质，使得被测量的目标瞬

    间失去了自己的各种量子能力，而展现出一种传统的经典物理学性质，比如测量光的偏振状态时，光子失去同时指向各个方向的能力，而仅仅

    指向单一的方向。因此，当阿斯拜克特用观察光是否可以穿过特定的偏

    光镜的方法测量任意一对互相纠缠的光子其中之一的偏振态时，该光子

    瞬间失去了和它同伴之间幽灵般的联系，并采取了单一的偏振方向。而

    无论这对光子离得多远，它的同伴也会瞬间变得和它一样。至少，量子

    力学的方程式是这样预测的，也正是这一点让爱因斯坦心神不宁。

    阿斯拜克特和他的团队在实验室中进行了一个

    著名的实验：一对光子被分开数米远，这个距离已

    经足够。因为相对论告诉我们，没有什么会比光的

    传播速度更快，所以即使在两个光子之间施加一个

    以光速传播的影响，也不能影响它们偏振的角度。但是，测量结果表明，这对光子的偏振方向是相关的：当其中一

    个光子向上偏振时，与其成对的另一个光子会向下偏振。

    自1982年起，这个实验被重复多次，更有甚者，将成对的两个光子

    分开数百公里之远，而分开的光子总能表现出这种让爱因斯坦无法接受

    的幽灵般的纠缠联系。

    在舒尔滕提出鸟类罗盘使用了量子纠缠的机理之后很多年，阿斯拜

    克特才做了这个实验，而在舒尔滕的时代，量子纠缠现象还颇具争议。

    而且，舒尔滕并不知道如此模糊的化学反应如何能让知更鸟“看见”地球

    的磁场。此处，我们说“看见”是因为维尔奇科夫妇的另一大发现。虽然

    知更鸟在夜间迁徙，但是要激活其体内的磁性罗盘需要少量的光(大约

    在可见光谱中偏蓝的一端)，这就暗示着知更鸟的眼睛在其体内罗盘的

    运转中扮演着重要的角色。但是，除了视觉之外，知更鸟的眼睛又是如

    何向其提供磁感觉的呢？不管是否掌握舒尔滕的自由基配对原理，这都

    是一个十足的谜题。

    “鸟类罗盘中用到了量子力学的理论”这一认识在科学的角落中搁置

    了20余年。舒尔滕后来去了美国，在伊利诺伊大学香槟分校建立起了非

    常成功的理论化学物理小组。但他从来没有忘记他那稀奇古怪的理论，并持续地撰写修改了一篇相关的论文，该文列举出一些可能的生物分子

    (活细胞中产生的分子)，而这些生物分子可能会产生完成高速三重态

    反应必不可少的自由基。但是没有一种生物分子能够满足条件：它们不

    是不能产生自由基对，就是在知更鸟的眼睛里不存在。直到1998年，舒

    尔滕在一篇论文中了解到，在动物的眼中发现了一种神秘的光感受器，叫作隐花色素(cryptochrome)。这立刻激起了他的科研直觉，因为隐

    花色素是一种已知的可能会产生自由基对的蛋白质。

    一位名叫索斯藤·里茨(Thorsten Ritz)的博士生后来加入舒尔滕的

    小组，里茨颇具天赋。在法兰克福大学读本科时，里茨听过舒尔滕关于鸟类罗盘的演讲，并对此着了迷。当出现机会时，他就跳槽到舒尔滕的

    实验室读博士，最初的研究课题是光合作用。当知道了隐花色素的事情

    后，他又转去研究磁感应。2000年，里茨与舒尔滕合著了题为《鸟类基

    于光感受器的磁感应模型》的论文，描述了隐花色素如何能在鸟的眼睛

    中创造一个量子罗盘(在第5章中，我们还要更加详细地讨论这个问题)。

    四年后，里茨与维尔奇科夫妇组成小组，共同进行了一项关于知更

    鸟的研究，为“鸟类利用量子纠缠来进行环球导航”的理论提供了第一份

    实验证据。这一切似乎证明，舒尔滕一直是对的。他们2004年的论文，在《自然》上一经发表就引起了广泛的关注，鸟类的量子罗盘也立刻成

    为量子生物学——这门新兴科学的典型代表。

    形形色色的量子现象

    之前我们描述过量子隧穿和量子叠加态，它们都既存在于太阳的核

    心，也存在于电子设备中，比如电子显微镜和核磁共振成像扫描仪之中。那么，量子现象出现在生物学中又有什么值得我们大惊小怪的呢？

    生物学，其实只是一种应用化学，而化学又是一种应用物理学。

    因此，当你非要刨根问底时，所有的事物，包括我们和其他生物，都是

    物理学而已!这正是许多科学家所支持的论点，他们认为量子力学必须

    深层次地参与到生物学中，但他们同时也认为量子力学在生物学中的角

    色是无足轻重的。这些科学家想表达的观点是：因为量子力学的规则描

    述了原子的行为，而生物学毫无疑问地包含了分子间的相互作用，那么

    量子力学的规则在生物学最微观的层面一定也适用——不过也仅仅在这

    些最微观的层面适用，而在对生命至关重要的一些宏观过程中，量子力学只有很少的作用或是根本就没有作用。

    这些科学家的观点至少是部分正确的。诸如像DNA或是酶之类的生

    物分子是由像质子和电子这样的基本粒子组成的，而这些粒子的相互作

    用受限于量子力学。不过，话说回来，你正在读的这本书或是你正在坐

    的椅子其实也是一样的。你走路、说话、进食、睡觉，甚至思考的方式

    ，无一不取决于量子世界中的力对电子、质子及其他粒子的控制，正如

    你的汽车和烤面包机的运转也极大地依赖于量子力学一样。

    但是，总的来说，你并不需要知道这些。车辆机械工人并不要求在

    大学时修量子力学的学分，大多数生物学专业的课程也鲜有提及量子隧

    穿、量子纠缠或是量子叠加态。即使我们不知道这个世界的运转，除了

    基于我们熟悉的规则外，其实从根本上还依靠着一套我们完全不熟悉的

    法则，我们中的大多数人也照样活得好好的。发生在极微观层面的奇异

    量子现象，对大一点的东西来说，比如我们每天见到和使用的汽车或烤

    面包机，通常并不能产生什么影响。

    为什么不能呢？足球不能穿墙而过，人与人之间并没有幽灵般的联

    结(除了伪称的心灵感应)，你会沮丧地发现，自己不能同时既在办公

    室又在家里。但是，构成足球或是人体的基本粒子却能做到所有这些事

    情。为什么会有这样一条断层线？边界的一边是我们眼见为实的世界，而其表面之下，在边界的另一边，是物理学家们确认存在的另一个不同

    的世界。这是整个物理学中最深奥的问题，与我们之前提到过的量子测

    量现象有关。

    当量子系统与诸如阿兰·阿斯拜克特实验中的偏光镜等经典物理学

    的测量工具相互作用时，量子系统立刻失去了其量子特异性，表现得像

    经典物理学的物体一样。但是，我们周围的世界是我们看到的这个样子

    ，并不能完全归咎于物理学家们采用的测量方法。那是什么力量在物理

    实验室之外使量子行为消失了呢？答案与粒子的排列方式及其在大型(宏观)物体中的运动方式有关。原子与分子倾向于在非生命固体内随机地散布及无规则地振动；在液

    体与气体中，由于热的关系，它们也会持续地随机运动。这些随机的因

    素——散布、振动与运动——导致粒子波浪式的量子性质迅速消失。因

    此，其实是一个物体的所有量子成分的整体行为，共同完成了对所有

    成分的“量子测量”，也因此让我们周围的世界看起来变得正常。

    为了观察到量子的特异性，你要么必须去一些不同寻常的地方(比

    如太阳的内层)，要么凝视深层的微观世界(借助类似电子显微镜的工

    具)，要么仔细地把量子粒子排成一行，以便它们能够步调一致地前进

    (正如当你躺在核磁共振成像扫描仪中时，你体内的氢原子核会按照相

    同的方式自旋——当关掉电磁铁后，原子核的自旋方向重新变得随机，量子一致性会再一次被抵消掉)。同理，分子随机化可以解释为什么大

    多数时候没有量子力学我们也可以照样过日子：我们周围所有能看见的

    非生命物体，其量子特异性由于构成它们的分子持续地向各个方向随

    机运动，而被抵消掉了。

    注意是“大多数时候”而不是“总是”。正如舒尔滕所发现的那样，只

    有用到纠缠态这一精妙的量子理论时，才能解释高速三重态反应的反应

    速度。但高速三重态反应不过只是“快”而已，而且仅仅涉及两三个分子。要想解释鸟类的导航能力，量子纠缠必须对整只知更鸟施加持续的影

    响。因此，宣称鸟类磁性罗盘是量子纠缠的，与宣称量子纠缠在一个只

    涉及几个分子的特殊化学反应中起到了作用是两个完全不同级别的命题。因此，这个主张受到了相当数量的怀疑也就不足为奇了。

    通常认为，活细胞主要是由水和生物分子组成的，并处于一种恒定

    的分子搅动状态中，而这种分子搅动会立刻测量并分散奇特的量子效应。此处的“测量”并不是让水分子或生物分子真的去完成测量(就像我们

    测量物体的重量或是温度)，然后把数值永久地记录在纸上、电脑的硬盘上，甚至仅仅是记在我们的大脑里。此处我们所讨论的“测量”是当一

    个水分子撞击在处于量子纠缠态中的一对粒子的其中之一上时所发生的

    事情：水分子随后的运动会受到该粒子先前状态的影响，因此，如果去

    研究水分子撞击后的运动，将能推理出与其相撞的粒子的一些性质。

    从这个意义上来讲，水分子完成了一次“测量”，因为不管是否有人

    去检验，水分子的运动提供了一份关于被撞击的纠缠粒子对的记录。这

    种偶然的“测量”通常足以破坏纠缠态。因此，许多科学家认为，宣称精

    细的量子纠缠态能够在温热而复杂的活细胞内部保存下来，是一种不切

    实际的想法，近于疯癫。

    但是，近几年来，我们关于这类事物的知识取得了巨大的进步——

    不仅仅是与鸟类相关。在许多生物现象中的确发现了诸如叠加态和隧穿

    之类的量子现象，从植物如何获得阳光到我们的细胞如何制造生物分子

    都涉及该内容。甚至连我们的嗅觉或是我们从父母那里继承来的基因可

    能都要依赖奇异的量子世界。研究量子生物学的论文现在经常出现在世

    界上最权威的科学期刊上。尽管现在只有一小部分科学家坚持认为量子

    力学在生命现象中扮演的角色不是无足轻重的，而是至关重要的，但这

    个数量正在增长。而生命，在一个特殊的位置——量子世界与经典世

    界的边缘上，维持着奇异的量子特性。

    我们于2012年9月在英国萨里大学举办了量子生物学国际研讨会，该领域中的绝大多数科学家都出席了这次会议(见图0-2)，而我们竟

    然成功地把大家全安排进了一个小型阶梯教室里，那时，我们清楚地发

    现，研究量子生物学的科学家在数量上真的很少。但是，那种发现量子

    力学在日常生物现象中所起作用的兴奋，正在驱动着这个领域快速发展。为什么温热、湿润、混乱的生命体内能有量子特异性存在？这个谜题

    的答案已逐渐浮出水面，而对这个问题的研究可能对新量子技术的发展

    产生巨大影响，量子生物学是目前最令人激动的研究领域。不过，要想真正感受这些发现的重要性，我们必须先提一个貌似简

    单的问题——生命是什么。

    自左至右为，吉姆·艾尔-哈利利(Jim Al-Khalili)、约翰乔·麦克法登(Johnjoe Mc

    Fadden)、弗拉特科·韦德拉(Vlatko Vedral)、格雷格·恩格尔(Greg Engel)、奈杰

    尔·斯克鲁顿(Nigel Scrutton)、索斯藤·里茨(Thorsten Ritz)、保罗·戴维斯(Paul Da

    vies)、珍妮弗·布鲁克斯(Jennifer Brookes)、格雷格·斯科尔斯(Greg Scholes)。

    图0-2 2012年英国萨里大学量子生物学国际研讨会的出席者01

    生命是什么

    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”。神奇的生命

    随着“旅行者2号”航天探测器(Voyager 2)于1977年8月20日在美国

    佛罗里达州发射升空，人类有史以来最成功的科学探索任务拉开了帷幕。两周后，“旅行者2号”的姐妹探测器“旅行者1号”(Voyager 1)也冲向

    了苍穹。 [10]

    两年后，“旅行者1号”到达了它的第一个目的地——木星。

    在这里，它先是完成了对木星这个巨型气态行星的拍照任务，得到了木

    星上空翻腾盘旋的气流和著名的木星大红斑照片，随后，又从冰雪覆盖

    的木卫三上空飞过，之后，“旅行者1号”还见证了木星的另外一颗卫星

    木卫一上的一次火山喷发。与此同时，“旅行者2号”正在另外一条不同

    的轨道上飞行，它于1981年8月抵达土星附近，开始传送回一系列美得

    令人惊艳的土星环照片。通过这些照片可以发现，这些像一条精心编织

    的项链一样的土星环，其实是由数以百万计的小岩石和小卫星构成的。

    大约又一个十年后，“旅行者1号”于1990年2月14日拍下了有史以来最引

    人注目的照片：在一片带着颗粒感的灰色背景中，地球只是一个极其微

    小的小蓝点。 [11]

    在过去的半个世纪中，旅行者探空计划和其他太空探测器让人类得

    以在月球上漫步，遥控式地探索火星上的峡谷，窥视金星上荒凉的大漠

    ，甚至还目睹了一颗彗星猛烈地撞入木星的大气层。但大多数情况下，这些探测器发现的只是岩石——许许多多的岩石。事实上，我们可以认

    为，对姐妹星球的探索其实在很大程度上是对岩石的研究。无论是“阿

    波罗号”上的宇航员从月球上带回的一吨左右的矿物质，还是美国国家

    航空航天局(NASA)在“星尘”任务中发现的需要用显微镜才能看到的

    彗星碎片，无论是于2014年与一颗彗星直接接触的“罗塞塔号”(Rosetta)彗星探测器，还是分析火星表面情况的“好奇号”火星探测器(Curiosity Rover)，其实都是在研究各种各样的岩石。

    宇宙空间中的岩石当然是非常有趣的东西，因为它们的结构和组成

    将为解答诸如太阳系的起源、各个行星的形成以及太阳系形成之前的宇

    宙事件等问题提供线索。但是，对于大多数非地质学家而言，一块火星

    上的球粒陨石(一种石质的非金属陨石)和一块来自月球的橄长岩(一

    种铁质的富含磁性物质的陨石)并没什么太大的不同。然而，在太阳系

    中却有这样一个地方——在这里所有构成岩石和石头的基本元素以多样

    化的形态、功能和化学反应结合在了一起，仅仅一克这样的物质就足以

    超越已知的宇宙空间中所有其他地方的物质多样性。这个地方就是“旅

    行者1号”拍到的那个暗淡的蓝色小点，而我们把它叫作“地球”。最令人

    惊奇的是，那些让我们的星球表面变得如此与众不同的形形色色的原材

    料，还共同创造了生命。

    生命如此美妙。我们已经讨论过知更鸟令人惊异的磁感应，但这种

    特别的技能不过是其诸多能力中的一种而已。知更鸟能够看到、嗅到、听到并捕捉苍蝇；它能够在地面或是树杈间跳跃；它能够飞上天空并一

    口气飞行数百公里远。最令人惊叹的是，它能够在伴侣的一点点帮助之

    下，用和那些岩石成分相同的材料，创造出一整窝和自己相似的生物。

    地球上有成千上万亿的生命体，它们具备与知更鸟相似的能力，还有

    许多其他同样令人费解的技能，而知更鸟只是这芸芸众生中的沧海一

    粟。

    另一种非常奇妙的生物当然就是你了。凝视夜空，星光中的光子进

    入你的眼睛。光子经视网膜组织转换为极其微弱的电流，沿着视神经抵

    达大脑的神经组织，并生成一种“闪烁”的神经冲动，让你体验到自己正

    置身于一闪一闪的漫天繁星之下。与此同时，你的内耳毛发细胞感受到

    了小于1109 个大气压力的轻微气压变化，并生成听觉神经信号来提醒

    你，微风正拂过树林，那声音仿佛鸣响的口哨。几个分子飘入你的鼻子，被特殊的嗅觉感受器捕捉到，这些分子的化学特性紧接着传递到你的

    大脑，告诉你现在正值夏日时光，金银花正在盛放。此外，你的每一个

    微小的运动，无论是仰望星空，静听风吟，还是嗅闻花香，都要靠数百

    条肌肉协调行动才能得以实现。

    由人类的身体组织完成的那些机械运动，无论如何不同凡响，与同

    在一个星球上生存的其他生命体比起来，都显得苍白无力。切叶蚁能够

    举起30倍于自身质量的重物，相当于你要背起一辆小汽车。大齿猛蚁在

    咬合时能将大颚在0.13毫秒内从0加速到230千米时，而一辆F1方程式赛

    车要加速到相同的速度需要大概40 000倍的时间(大约5秒)。亚马孙

    河电鳗能够瞬间产生600伏特的致命电压。生命的能力千奇百怪：鹰击

    长空，鱼翔浅底，蚓食埃土，猿曳森林。还有，正如前面发现的那样，包括知更鸟在内的许多动物，能够利用地球磁场完成数千公里的旅程。

    此外，就生物合成能力而言，没有什么能够与地球上那多姿多彩的绿色

    生命相提并论。它们把空气、水(再加一些矿物质)的分子糅合在一起

    ，就造出了青草、橡树、海藻、蒲公英、地衣和高耸入云的红杉树。

    所有的生命体都有其特别的技能和特长，比如知更鸟的磁感应或是

    大齿猛蚁的极速咬合，但有一种人类器官的表现可以让其他所有生物望

    尘莫及。这个灰色肉质的器官(大脑)被我们坚硬的颅骨牢牢地保护着

    ，其计算能力超过了世界上所有的计算机，它还创造了埃及金字塔、广

    义相对论、《天鹅湖》、《梨俱吠陀》、《哈姆雷特》、明代的陶器和

    唐老鸭。而且，最令人惊叹的一点是，人类大脑有能力感知到自身的

    存在。

    生命体拥有万千的形态和无尽的功能，然而构成这种极大生命多样

    性的原子，与火星上那些球粒陨石中发现的原子几乎完全相同。

    究竟是什么将岩石中那些没有活动能力的原子和分子夜以继日地转

    化为能跑、能跳、能飞、能定位、能游泳、能生长、能爱、能恨、能欲求、能恐惧、能思考、能哭、能笑的活生生的生物呢？这是科学界最宏

    大的问题，也是本书的核心。对它这种非凡转化现象的熟悉，让我们觉

    得它似乎稀松平常，但请牢记，即使在这样一个基因工程与合成生物学

    的时代，人类还从来没能用完全非生命的物质创造出生命。我们的技术

    至今未能成功地完成一次转化，而即使是地球上最简单的微生物也能毫

    不费力地创造出生命来。这个事实告诉我们，我们关于生命构成的知识

    还不完善。我们可能忽略了一些元素，这些元素并不存在于非生命体中

    ，却是激活和维持生命必不可少的“火种”。

    这并不是说我们要宣称存在什么能够激活生命的原动力、灵魂或是

    神奇的原料。我们的故事可比那有趣多了。我们要做的是探讨最新的研

    究。这些研究表明，至少有一部分生命之谜的问题会在量子力学的世界

    中得到解答。在那里，物体可以同时出现在两个地方，物体之间拥有幽

    灵般的联结，并且可以穿越明显无法穿透的屏障。生命似乎一只脚踩在

    了充斥着日常物品的经典世界中，而另一只脚陷在了奇怪而特别的量

    子世界中。我们想说的是，生命，其实生活在量子的边缘。

    我们坚信自然法则只能用来描述基本粒子的行为，但是，动物、植

    物和微生物是否也受自然法则的支配呢？当然，就像足球、汽车或是蒸

    汽火车一样，生命体同样是由数以兆计的粒子构成的宏观物体，应该充

    分地遵循经典物理学规律，比如牛顿力学定律或是热力学定律。既然如

    此，那我们为什么还需要隐藏的量子力学世界来解释生命物质的奇特属

    性呢？要回答这个问题，我们需要先踏上一次短暂的科学之旅，来回顾

    一下科学为了理解“生命究竟有什么特别之处”所做过的努力。

    活力论生命之谜的核心在于：与一块石头相比，为什么物质一旦形成生

    命就会表现得如此不同？ 古希腊的哲人们是探究这个问题的第一批人。哲学家亚里士多德或许是世界上第一位伟大的科学家。他发现了非生

    命物质的一些可靠且可预测的性质：比如，固体具有下落的倾向，而火

    和水蒸气倾向于上升；天体倾向于围绕地球做圆周运动。然而，生命却

    大不相同：尽管很多动物也有下落的倾向，但它们也会跑；植物可以向

    上生长，而鸟儿则可以飞离地面。那么，是什么让生命与世界上其他的

    东西不同呢？年代更早的哲学家苏格拉底曾做出回答，答案记录在其学

    生柏拉图的书中：“是什么，当其出现在物体体内时，就让它拥有了生

    命？答案是灵魂。”

    亚里士多德同意苏格拉底关于生命体拥有灵魂的说法，但他认为灵

    魂也有等级。最低级的灵魂附身于植物，让植物能够生长，并从周围吸

    取养分；动物的灵魂更高一级，赋予其宿主感觉和运动的能力；只有人

    类的灵魂，承载着理性与智力。古代中国的哲人们持有相似的看法。他

    们认为，生命体之所以活着，是有一种叫作“气”的无形生命力在生命周

    身流转。后来，世界上的主要宗教都吸收了“灵魂”这一概念，但灵魂的

    性质、灵魂与身体之间的联系等问题却仍然玄妙而神秘。

    生命的另一个谜团在于生命的必死性。 大家普遍相信灵魂是不朽

    的，可为什么生命却如此短暂？大多数文化给出的答案是，在死亡降临

    时，灵魂会脱离躯体。到了1907年，美国医生邓肯·麦克杜格尔(Dunca

    n MacDougall)宣称自己能够通过在病人死后立刻称量其体重的方法，对比其死亡前后体重的变化，从而测量出灵魂的质量。他的实验让他相

    信灵魂的质量大约为21克。但灵魂为什么非要在陪伴了我们70多年后脱

    离我们的身体呢？这仍是个谜。

    灵魂的概念虽然不再是现代科学的一部分，但它至少将对生命体与

    非生命体的研究区分开来，使科学家能够心无旁骛地研究非生命体内部运动的成因而不受神学和哲学问题的困扰。研究“运动”(motions)这一

    概念的历史可谓久远、复杂而又迷人，但在本章中，我们只是带着你简

    要地游览一遭。之前已经提过，亚里士多德认为，物体有向着地球、远

    离地球或围绕地球旋转等运动倾向，他将这些倾向统称为“自然运动”(

    natural motions)。他还发现，固体能够被拉、推和抛出。这些运动在

    他看来是“被动的”(violent)，而且是由另一个物体提供的某种力量发

    起的，比如一个投掷物体的人。但是，投掷这一动作又是怎么产生的呢？或者说鸟是如何飞起来的呢？似乎还有其他的原因。亚里士多德指出

    ，与非生命体不同，生命体具有自发产生动作的能力。而就上述的例子

    而言，产生动作的就是生命体的灵魂。

    一直到中世纪，亚里士多德关于“运动”起源的看法都占据着主导地

    位，但有趣的事情发生了。科学家们(当时他们称自己为自然哲学家)

    开始用逻辑和数学的语言来表达关于非生命体运动的理论。大家可以争

    论究竟谁对这次极具效益的人类思想转变做出了贡献，但可以明确的是

    ，中世纪阿拉伯和波斯的学者们，比如阿尔哈曾(Alhazen，965—1040)和阿维森纳(Avicenna，980—1037)，一定扮演过重要的角色，而

    之后兴起的欧洲学术机构，比如巴黎大学和牛津大学，延续并发展了这

    一潮流。

    不过，这种描述世界的方法第一次结出丰硕的果实应该是在意大利

    的帕多瓦大学。伽利略在那里用数学公式推导出了简单的运动定律。在

    伽利略逝世的1642年，牛顿诞生于英格兰的林肯郡。牛顿继续伽利略的

    工作，对非生命体在力的作用下运动发生改变的现象提出了极其成功的

    数学表达。今天，我们将他提出的这套理论称为“牛顿力学”。

    牛顿的力在一开始还是一个神秘的概念，但几个世纪过去之后，人

    们越来越认识到力与“能量”的概念密不可分。移动物体，被描述为向碰

    到的静物转移能量，使其移动。但是，力同样可以在物体间远程传递：比如把牛顿的苹果拉向地面的地球引力，或是让指南针的指针旋转的地

    磁力。

    由伽利略和牛顿发端的伟大科学进步在18世纪得到了长足的发展，到19世纪末期，经典物理学的理论框架已经基本建成。在那个时候，科

    学家们已经知道，热和光等其他形式的能量也可以与物质的组成(原子

    和分子)进行互动，让物质变热、发光或改变颜色。物体是由微小的粒

    子构成的，而这些粒子的运动受到重力和电磁力的控制。在19世纪晚期

    ，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)证

    明，电力和磁力其实是同一种力(电磁力)的两个方面。这样一来，物

    质世界，或者至少是物质世界中的非生命体，就被分成了两个截然不同

    的部分：由粒子组成的可见的物质和以难以理解的方式在物质之间作用

    的不可见的力。当时认为，不可见的力以能量波的形式在空间中传播或

    是利用“力场”(force field)发生作用。但是，构成生物的生命物质又是

    怎么一回事呢？是什么构成了这些生命物质，它又是如何运动起来的呢？

    机械论

    所有的生物都是从某种超自然的物质或是主体那里获得了生命力，这一古老的想法确实为生物与非生物之间令人惊异的差异提供了某种解

    释：生命之所以不同，是因为灵魂而非其他平凡的机械力量在驱使其行

    动。但这终归不是令人满意的解释，就好像说太阳、月亮和恒星的运动

    是因为有天使推着它们在动一样。事实上，这个问题还没有什么真正的

    解释，灵魂(和天使)的性质依然是个十足的谜题。

    17世纪时，法国哲学家勒内·笛卡儿提出了一种全新的视角。他有感于当时用来取悦欧洲宫廷的机械钟表、玩具和自动人偶，受其机械原

    理的启发，革命性地宣称植物和动物的身体，包括人类在内，都不过是

    由传统材料制成的精密机械，由泵、齿轮、活塞和凸轮等机械装置提供

    动力，而这些机械装置的动力与支配非生命体运动的力量相同。笛卡儿

    将人类的心智排除在他的机械论之外，认为心智是一个不朽的灵魂。笛

    卡儿的哲学至少尝试着用支配非生命体的物理定律为解释生命提供了一

    种科学框架。

    牛顿的力学体系让机械生物路径传统在近现代一直延续：物理学家

    威廉·哈维(William Harvey)发现，心脏不过是一个机械泵。一个世纪

    之后，法国化学家安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)证明，呼吸的天

    竺鼠消耗氧气，呼出二氧化碳，正如燃烧燃料为新发明的蒸汽引擎提供

    动力一样。拉瓦锡据此总结道：“因此，与煤的燃烧很类似，呼吸是一

    种非常缓慢的燃烧现象。”笛卡儿可能曾经也预言过，动物与燃煤驱动

    的火车头没有看起来那样不同。而后者很快让工业革命席卷了欧洲。

    但是，驱动蒸汽火车的力量也能让生命运动吗？要回答这个问题，我们先要理解蒸汽火车是怎样翻山越岭的。

    |分子台球桌|

    研究热量与物质相互作用的科学被称为热力学。该学科的核心观点

    由19世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)提出

    ，他大胆地将组成物质的粒子看成了一大堆遵循牛顿力学定律的随机碰

    撞的台球。

    试想用一根可移动的短杆将台球桌 [12]

    的表面分成两侧。包括母球

    在内的所有球都在短杆的左手边，整组台球整齐地摆成三角形。现在，用母球用力击打球组，让台球向各个方向快速运动，互相撞击，在球桌库边及可移动短杆上反弹。想想短杆会发生什么：球都在左侧，因此它

    会受到来自左侧的多次撞击，而不会受到来自空空如也的右侧的撞击。

    即使所有的台球都是完全随机地运动，在所有随机运动的台球的推动下

    ，短杆也会受到一个将其向右推动的平均力，使左侧的区域扩大，右侧

    的区域压缩。我们可以进一步想象，利用这个台球桌做一些功。比如，通过建造一个由杠杆和滑轮组成的奇巧的装置，用短杆向右的运动来推

    动一列玩具火车爬上一个山坡的模型。

    玻尔兹曼意识到，从本质上讲，这正是热力引擎将真实火车头推上

    真实山坡的原理。别忘了，当时正处于蒸汽时代。蒸汽机汽缸里的水分

    子与被母球击散的台球表现得极为相似：炉内的热量使它们的随机运动

    加速，使分子互相撞击，推动活塞更为有力地向外驱动蒸汽机车的转轴

    、齿轮、链条和轮子，并由此产生定向的运动。在玻尔兹曼之后又过了

    一个多世纪，现在我们自己使用的汽油机车与蒸汽机车的工作原理依然

    完全相同，只不过是用汽油燃烧的产物取代蒸汽罢了。

    作为一门科学，上文中的原理正是热力学的不凡之处。已造好的每

    一台热力引擎，其规则运动都是利用了数以兆计的分子与原子的随机运

    动所产生的平均运动。不仅如此，这门科学的应用极其普遍，不仅可以

    用在热力引擎上，还发生于几乎所有的标准化学反应中：煤炭燃烧、铁

    钉生锈、做饭、炼钢、盐在水中溶解、烧水或将火箭送上月球。所有这

    些化学过程都有热量交换，而且在分子层面上，都是基于随机运动，都

    遵循热力学原理。事实上，几乎所有能使世界发生变化的非生物过程

    (物理的和化学的)都遵循热力学原理，“混乱”拥有不可阻挡的力量。 它不仅是热力学的基石，也操控着洋流、风暴、岩石风化、森林大

    火、金属腐蚀等现象。每一个复杂的过程在我们看来可能是结构严谨、秩序井然的，但究其核心，所有现象的驱动力都是分子的随机运动。熵

    entropy

    在热力学中，“熵”用来描述

    一种缺乏秩序的状态，因此

    ，高度有序的状态被描述为

    拥有较低的熵。

    |生命是团乱麻吗|

    那么生命也是如此吗？让我们重新回到那张台球桌上，在游戏开始

    时重新把球摆成整齐的三角形。这次，我们还要增加大量多余的球(假

    设球桌非常大)，并让这些球在摆成三角形的球组周围受到猛烈的撞击。我们也会利用由随机碰撞推动的短杆来做一些有用的功，只不过不是

    用它来驱动玩具火车爬上小山坡，而是设计一个更加巧妙的装置。这一

    次，由所有这些球碰撞所推动的机器将做一些特别的事情：它将在混乱

    中使原先那组球保持整齐的三角形阵列。每当三角形阵列中的一个球被

    一个随机移动的球撞离其原来的位置时，某种感应装置会探测到这一事

    件，并引导机械手臂从随机碰撞的其他球中选择一个相同的球，去取代

    三角阵列中缺失的球，来填补三角形中的一个空缺。

    我们希望你已经注意到，这个系统

    正在用由分子随机碰撞产生的能量来使

    自身的一部分保持高度有序的状态。在

    热力学中，“熵”(entropy)用来描述一

    种缺乏秩序的状态，因此，高度有序的

    状态被描述为拥有较低的熵。因此，我

    们的台球桌也可以说是利用高熵(混乱

    的)碰撞的能量，来使自身的一部分，即中间摆成三角形阵列的球组，保持低

    熵(有序的)的状态。

    现在，我们先不关心如何建造这样一种巧妙的装置，此处的重点是

    ，这个由熵驱动的台球桌正在做一件有趣的事情：仅仅靠着混乱的台球

    运动，这个由台球、球桌、短杆、感应器和机械手臂组成的新系统就能

    够使它的一个子系统保持有序的状态。让我们想象另一层面的复杂性：移动短杆的能量(我们可以将其称

    为该系统的自由能 [13])可以用来建造和维持感应器和机械手臂，甚至

    可以用来制作最开始用作系统原材料的台球。现在，整个系统可以自我

    维持，而且在理论上，只要能够持续地提供大量随机移动的台球，而且

    有足够的空间让短杆继续移动，该系统就可以无限地运作下去。

    最后，除了能够保持自身运转外，这个拓展系统还能完成一项令人

    惊异的成就：它能使用自由能来探测、捕捉和摆放台球，并完成一份完

    整的自身拷贝：球桌、短杆、感应器、机械手臂，还有摆成三角形的台

    球组。这些拷贝又可以利用它们的台球及碰撞产生的自由能来制造更多

    这样能够自我运转的装置，然后“子子孙孙无穷匮也”……

    好了，你可能已经猜到我们要说什么了。我们假想的这个DIY项目

    创造了一个由台球驱动的生命等价物。就像一只鸟、一条鱼或是一个人

    ，这个想象出来的装置能够通过利用随机分子碰撞产生的自由能来维持

    并复制自己。虽然这是一项复杂而困难的任务，但通常认为，其驱动力

    与推动蒸汽火车上山的动力别无二致。在生命体中，从食物中获得的分

    子相当于台球，虽然过程比我们所举的这个简单例子要复杂得多，原理

    却相同：分子随机碰撞(及其化学反应)产生的自由能被用来维持生

    命体并复制生命体。

    那么，难道生命科学不过是热力学的一个分支吗？当我们外出远足

    时，我们爬上山丘的过程与推动蒸汽机车头的过程是完全一样的吗？知

    更鸟的飞行与一发炮弹的飞行没有区别吗？若要追根问底，难道生命的

    火种仅仅是随机的分子运动吗？要回答这些问题，我们需要近距离观察

    生命体的精密结构。

    生命科学新发现|细胞|

    在人类对生命精密结构的探寻中，第一次重大的进步来自17世纪的

    “自然哲学家”罗伯特·胡克(Robert Hooke)与荷兰显微镜研究者安东·列

    文虎克(Anton van Leeuwenhoek)。在自己发明的原始显微镜下，胡克

    看到了软木塞薄切片中他称为“细胞”(cell)的结构，而列文虎克则在

    池塘的水滴中发现了他称为“微动物”(animalcule)而现在称为单细胞

    生物的生命体。列文虎克还观察到了植物细胞、血红细胞，甚至还包括

    精子。后来，我们知道所有的活体组织都可以分为这样的细胞结构，而

    细胞就像是构成生命体的砖块。德国医生、生物学家、病理学家鲁道夫

    ·魏尔肖(Rudolf Virchow)在1858年的著作中写道：

    一棵树是由物质按照一定的秩序组成的。无论是树叶还是树根，无论是树干还

    是花朵，在树的每一部分中，细胞都是最基本的元素。同理，动物生命的形态也是

    如此。每一只动物都是一群生命单位的集合，而每个单位都展现出生命全部的特性。

    在功能日益强大的显微镜的辅助下，人类对活细胞的研究逐步深入

    ，细胞的内部结构也显示出高度的复杂性。每个细胞的中心都有填充着

    染色体的细胞核，细胞核的周围包裹着细胞质，细胞质中又镶嵌着细胞

    器。就像人体的器官一样，细胞器也在细胞内部执行着特殊的功能。比

    如，被称为线粒体的细胞器在人体细胞内具有呼吸的功能，而叶绿体在

    植物细胞内负责进行光合作用。总体来讲，细胞就像一个忙碌的制造厂

    的缩影。

    但究竟是什么让细胞持续运作？又是什么让细胞有了生命？起初，普遍的观点认为，细胞内充斥着“生命力”，本质上就是亚里士多德所说

    的灵魂。后来，在19世纪的大多数时间里，对活力论(vitalism)的信

    仰又持续占据主流。活力论认为，活体生物的生命来自一种在非生命体

    中不存在的力。在活力论的视角下，细胞里充盈着一种被称为“原生质”(protoplasm)的神秘活性物质，而对原生质的描述也渲染着神秘主义

    色彩。

    但是，19世纪几位科学家的工作使活力论土崩瓦解。他们成功地证

    明从活细胞中分离出的化学物质与实验室合成的完全相同。比如，1828

    年德国化学家弗里德里希·维勒(Friedrich W?hler)成功地合成了尿素

    ，而之前认为这种生物化学物质只存在于活细胞中。路易·巴斯德(Lou

    is Pasteur)甚至利用活细胞的提取液(后来被称为酶)，成功地重现了

    发酵等化学变化，而之前认为只有生命体才能做到这样的事情。随着科

    学进步，人们发现组成生命体的物质似乎与构成非生命体的化学物质是

    相同的，并因此遵循相同的化学规律。活力论渐渐让位于机械论。

    到19世纪末期，生物化学家可以说完全击败了活力论者。 [14]

    细胞

    被视为装着各种生物化学物质并进行着各种复杂反应的袋子，同时像玻

    尔兹曼所描述的那样，以与台球类似的随机分子运动为基础。人们普遍

    相信，生命实际上不过是热力学的进一步拓展。但仅有一个方面除外，而这一方面可以说是最重要的一个方面了。

    |基因|

    无论是一只知更鸟、一株杜鹃花还是一个人，活体生物能够忠实地

    遵循指令复制出另一个自己的能力，几百年来一直让人极其费解。在16

    53年的《第51号实习报告》中，威廉·哈维写道：

    虽然众所周知，胚胎的起源与诞生来自雄性与雌性，就像公鸡与母鸡合作产出

    了鸡蛋，而鸡蛋又生出了小鸡，但是，没有一个学派的医生或者亚里士多德那明察

    秋毫的大脑，能够说明公鸡和它的“种子”是如何让小鸡破壳而出的。

    两个世纪以后，奥地利修道士与植物学家格雷戈尔·孟德尔(Gregor

    Mendel)为该问题给出了部分解答。大约是在1850年，孟德尔在布尔诺奥古斯丁修道院的菜园里种植豌豆。他的观察让他认为，像花的颜色或

    是豌豆的形状等性状是由可遗传的“因素”决定的，这些“因素”可以不经

    改变地从一代传向下一代。孟德尔所谓的“因素”提供了一个让豌豆得以

    流传几百代而性征保持不变的遗传信息库，或者说正是通过这个遗传信

    息库使“公鸡和它的‘种子’让小鸡破壳而出”。

    孟德尔的工作被他同时代的大多数学者所忽视，其中包括达尔文。

    一直到20世纪早期，孟德尔学说才重新受到重视。孟德尔所说的“因素”

    后来被称为“基因”，并很快被不断发展的20世纪机械论生物学所吸收。

    不过，虽然孟德尔曾说明这些遗传单位一定存在于活细胞内部，但从来

    没有人真正见过这些遗传单位或是知道它们的构成成分。然而，到了19

    02年，美国遗传学家沃尔特·萨顿(Walter Sutton)发现，一种叫作“染

    色体”的细胞内结构遵循孟德尔式“因素”的遗传规律，他据此提出基因

    位于染色体上。

    但相对而言，染色体体积较大，结构复杂，包括了蛋白质、糖和一

    种名为脱氧核糖核酸(DNA)的生物化学物质。就算这些物质真的具有

    遗传性，最开始也并不清楚究竟哪种成分具备这样的功能。到了1943年

    ，加拿大科学家奥斯瓦尔德·艾弗里(Oswald Avery)通过从供体细胞中

    提取DNA并注入受体细胞中，成功地将一组基因从一个细菌细胞转移到

    了另一个细菌细胞。这个实验说明，在染色体中携带所有关键遗传信息

    的物质，是DNA，而不是蛋白质或是其他生物化学物质。在那个时候，埃弗里的实验并不被当作DNA是遗传物质的决定性证据——争论一直持

    续到克里克和沃森的时代。大家觉得DNA似乎也没什么神奇的，不过是

    一种普通的化学物质。

    因此，问题依然没有得到解决：这一切究竟是怎么运转的？一种化

    学物质是如何传递使“公鸡和它的‘种子’让小鸡破壳而出”所需的信息的？基因又是如何从一代复制繁衍到下一代的？以玻尔兹曼的热力学为基础的传统化学似乎无法解释基因为什么能够储存、复制和精确地传递遗

    传信息。

    答案终于在1953年揭晓，这在科学史上非常著名。当时，詹姆斯·

    沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)在剑桥的卡

    文迪什实验室与他们的同事罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)成

    功地设计出了一个能与从DNA中获得数据相匹配的结构模型：双螺旋结

    构。

    每条DNA链都由一串由磷、氧原子及叫作脱氧核糖的糖类分子组成

    ，在分子链上还像念珠一样分布着叫作核苷酸的化学结构。核苷酸“念

    珠”有四种变体：腺嘌呤(adenine，缩写为A)、鸟嘌呤(guanine，缩

    写为G)、胞嘧啶(cytosine，缩写为C)和胸腺嘧啶(thymine，缩写为

    T)。因此，这些核苷酸沿着DNA链的排列就提供了一种一维的“遗传

    字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。

    弗朗西斯·克里克第二次世界大战时曾在英国海军部(负责指挥皇

    家海军的部门)服役，因此我们也就不难理解他可能对密码比较熟悉，因为当时德国恩尼格码密码机(Enigma)加密过的文件都会送去布莱奇

    利园 [15]

    解码。不管怎样，当克里克一看到DNA序列时，他就立刻意识

    到这是密码，是一条提供重要遗传指令的信息序列。而且，正如我们将

    在第6章进一步讨论的那样，DNA双螺旋结构的发现还解决了遗传信息

    的复制问题。电光火石间，科学界的两大谜题就解决了。

    DNA结构的发现为解锁基因之谜提供了一把机械论的钥匙。基因是

    化学物质，而化学不过是热力学，那么，是不是说双螺旋结构的发现最

    终将生命完全带入了经典科学的王国呢？

    |合成生物学|在刘易斯·卡罗尔(Lewis Carroll)的《爱丽丝梦游仙境》中，有一

    只能随时现身随时消失的柴郡猫，在消失后只留下它那咧嘴的笑脸。爱

    丽丝评论道：“我常常看见没有笑脸的猫，可还从没见过没有猫的笑脸

    呢。”许多生物学家面对着相似的困境。就算知道了活细胞中热力学如

    何运作、基因如何编码合成细胞所需的信息，“生命究竟是什么”的谜题

    依然未得到解决，就好像一直在对着他们笑的柴郡猫一样。

    生命的第一个谜题是在每个活细胞内生化反应的极度复杂性。 当

    化学家要生产一种氨基酸或糖类时，他们几乎总是一次只合成一种产品

    ，通过精心地控制该制备实验的条件，比如温度和不同原料的浓度，来

    优化对目标化合物的合成。这可不是一项简单的工作，需要对定制的长

    颈瓶、冷凝器、分离柱、过滤器及其他复杂的化学仪器内部许多不同的

    条件进行精细的控制。然而，你体内的每个活细胞中，在一个仅仅容纳

    着一微升液体的百万分之几的单一反应室内，正在马不停蹄地合成着数

    以千计各不相同的生化物质。这些不同的反应是如何同时发生的？所有

    的分子活动如何在一个小小的细胞内协调运作？这些问题正是新兴的科

    学分支“系统生物学”所关注的焦点。但是坦白地说，这些问题的答案依

    然迷雾重重。

    生命的另一个谜题是死亡。 化学反应的一个特征是它们总是可逆

    的。我们可以按这样的方向写下方程式：底物→产物。 [16]

    但是，该反

    应的逆反应：产物→底物，也在同时发生着。只不过在一定的条件下，总有一个方向会倾向于占据主导地位。实际上，我们总能找到一套倾向

    于逆反应的反应条件。比如，当化石燃料在空气中燃烧时，底物是碳和

    氧气，产物只有温室气体二氧化碳。通常，这个反应被看作是一个不可

    逆反应。但是，某些碳捕捉技术正在试图利用其他能源将这一过程逆转

    ，推动反应向相反方向发展。比如，伊利诺伊大学的里奇·马塞尔(Ric

    h Masel)成立了一个名为“二氧材料”(Dioxide Materials)的公司，致

    力于使用电能将大气中的二氧化碳转化为汽车燃料。生命却迥然不同。还从没有人发现过能使下面的反应发生的条件：

    死细胞→活细胞。正是这个谜题让我们的祖先提出了灵魂的概念。我们

    不再相信一个细胞中会包含任何形式的灵魂，但是当一个细胞或是一个

    人死去时，不可逆转地失去的东西又是什么呢？

    此时，你可能会想：新兴的合成生物学不是饱受赞誉吗？那门学科

    的研究者难道没有掌握生命之谜的钥匙吗？合成生物学最著名的实践者

    可能要数基因组测序的先驱克雷格·文特尔 [17]

    (Craig Venter)了，他在

    2010年宣称自己创造出了人造生命，并由此掀起了一场科学风暴。他的

    工作在世界各地登上了新闻头条，并激起了人们对人造新物种将会占领

    地球的恐慌。

    但文特尔和他的团队不过是修饰了一个现存的生命形态，而不是完

    完全全地创造了一个新的生命。他们选择了一种能使山羊得病的名为丝

    状支原体(Mycoplasma mycoides)的致病菌，先是合成了该致病菌整

    套基因组的DNA，然后将合成的DNA基因组注入到一个活菌细胞内，并非常巧妙地诱导该活菌将自己原先那条单一的染色体替换成合成的D

    NA。

    毫无疑问，这项工作绝对是一项技术上的杰作。实验中的细菌染色

    体包含了180万个遗传字母，而且所有的遗传密码都需要按照正确的序

    列精确地串在一起。但是，我们每个人都能毫不费力地将食物中的惰性

    化学物质转化为自己身上鲜活的血肉，而从本质上讲，这些科学家所做

    的转化与我们的日常行为别无二致。

    文特尔和他的团队成功地合成并插入了细菌染色体的替代物，为合

    成生物学开启了一片全新的天地，在本书的结语中，我们会重新来看这

    部分内容。这项技术很有可能将衍生出制备药品、种植庄稼、分解污染

    更有效率的方法。但在这些及其他许多相似的实验中，科学家并没有创

    造出新的生命。尽管有了文特尔的成就，生命的根本谜题一直还在对着我们笑。

    诺贝尔奖获得者、物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)因为

    一直坚持如下的观点而为人所称道：“凡是我们做不出来的，就是我们

    还不理解的 。”按照这个定义，我们还不理解生命，因为我们还从未能

    够创造出生命。我们能够混合生化物质、加热它们、照射它们，我们甚

    至能像玛丽·雪莱(Mary Shelley)笔下的弗兰肯斯坦一样，用电来使它

    们具有生机，但是，我们要想创造生命，就只能将这些生化物质注射到

    活细胞中，或是吃下它们，让它们成为我们身体的一部分。

    每一秒都有数以兆计的最低级的微生物毫不费力地创造着生命，那

    我们为什么就做不到呢？我们是缺了什么原料吗？70多年前，著名物理

    学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr?dinger)也曾思考过这一问题，他那令

    人惊异的答案与本书的主旨十分契合。要想知道对这个生命最深奥的谜

    题，为什么薛定谔的解答直到现在还依然具有非凡的革命性，我们需要

    回到20世纪初，回到那个DNA双螺旋结构还未被发现的年代，而彼时的

    物理学界正发生着翻天覆地的变化。

    量子力学，物理学的一场革命

    在18～19世纪的启蒙运动期间，科学知识的大爆炸催生了牛顿力学

    、电磁学与热力学，并向世人展示，从炮弹到钟表，从风暴到蒸汽火车

    ，从摆锤到行星，只要物理学的这三个领域合力，就能成功地描绘这个

    世界上所有日常宏观物体与现象的运动与行为。但到了19世纪末20世纪

    初，当物理学家将他们的注意力转向物质的微观组成(原子和分子)时

    ，他们发现熟悉的定律不再适用。物理学需要一场革命。|“量子”概念的提出|

    革命的第一个重大突破性进展是“量子”概念的提出。1900年12月14

    日，德国物理学家马克斯·普朗克在德国物理学会的一次研讨会上展示

    了他的研究成果，而这个日子也被广泛认为是量子理论的诞生之日。

    当时传统的观点认为，与其他形式的能量类似，热辐射在空间中以

    波的形式进行传播。问题在于，波理论无法解释某些发热物体的能量辐

    射现象。因此，普朗克提出了一种全新的观点，认为这些发热体表面的

    物质在以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团

    进行辐射，而且这些能量团不可以再分，普朗克称其为“量子”。普朗克

    的简单理论大获成功，却背离了经典辐射理论，因为后者认为能量具有

    连续性。普朗克的理论表明，从物质中流出的能量并不像从水龙头里连

    续不断地流出的水柱那样，而是更像从龙头里缓慢滴出的水滴，像一个

    个离散的、不可再分的“包裹”一样传播。

    对“能量团块化”这个想法，普朗克自己也从未感到很满意。但就在

    他提出量子理论五年之后，爱因斯坦拓展了他的理论，并提出包括光在

    内的所有电磁辐射都是“量子化”的，而非连续的，光以我们称为“光子”

    的离散的“包裹”或粒子的形式存在。爱因斯坦指出，以这种方式来思考

    “光”，能够解释一个长期以来困扰物理学家的现象——在高于特定频率

    的电磁波照射下，光可以将物质内部的电子激发出来，即“光电效应”。

    正是这项成就，而不是他那更广为人知的广义相对论，让爱因斯坦获得

    了1921年的诺贝尔物理学奖。

    但是，也有大量的证据表明光的行为像是扩散和连续的波。那么光

    怎么可以既像团块又像波呢？这在当时看来，似乎不合情理，至少在经

    典物理学的框架内是说不通的。|玻尔的贡献|

    革命的第二大步由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)迈出。1

    912年，他与欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)一起在英国曼彻斯特

    工作。卢瑟福刚刚提出了著名的原子行星模型，认为原子的中心有一个

    极小而致密的原子核，周围环绕着更加微小的、在轨道中旋转的电子。

    但没有人可以解释为什么原子可以保持稳定。根据传统的电磁理论，当

    绕着带正电的原子核旋转时，带负电的电子会持续地释放光能。如果这

    样，电子会失去能量并很快(小于万亿分之一秒)朝着原子核螺旋向内

    移动，导致原子塌缩。但事实上，电子并没有发生这种情况。那么，它

    们玩的是什么把戏呢？

    为了解释原子的稳定性，玻尔认为，电子并不能自由地占据原子核

    外的任意轨道，而是只能占据某些固定的或量子化的轨道。电子只能从

    一个轨道跃迁到下一个较低的轨道，并释放与两个轨道的能级差完全相

    同的一团电磁能(一个光子)，也就是量子。相应地，如果电子跃迁到

    一个更高的轨道上，就需要吸收一个具有相应能级差的光子的能量。

    用吉他和小提琴演奏音符的类比，或许可以将经典理论与量子理论

    之间的差别形象化，并解释为什么电子只能占据原子中某些固定的轨道。当小提琴手演奏一个音符时，他会用一根手指将一根弦压在琴颈的指

    板上，使弦变短，然后运弓拉琴，使弦振动。较短的琴弦能以更高的频

    率(每秒振动更多次)振动，演奏音调更高的音符，与之相反，较长的

    琴弦会以更低的频率(每秒振动更少次)振动，演奏音调更低的音符。

    在继续行文之前，我们要简单地介绍一下量子力学的基本性质之一

    ，那就是频率与能量紧密相关。 [18]

    在引言中我们已经提到，亚原子粒

    子同时具有波的性质，像所有扩散的波一样，它们也有自己的波长和频

    率。快速的振动(或波频)比慢速的振动具有更多的能量——就像你的滚筒甩干机一样，为了得到足够的能量将衣服里的水甩干，滚筒必须以

    很高的频率(速率)旋转。

    现在回头说说小提琴的事。依照演奏者手指到琴弦固定端长度的不

    同，音符的音高(振动频率)可以连续变化。这就像一个“古典”理论下

    的波可以有任意的波长(两个连续波峰之间的距离)。所以，在此我们

    将小提琴定义为“古典”乐器——不是古典音乐的“古典”，而是非量子理

    论的经典物理学的“古典”。当然，这也说明了为什么要拉好小提琴非常

    困难，因为音乐家为了得到一个准确的音必须精确地知道要把手指放在

    什么位置。

    但吉他的琴颈却不一样，吉他沿着琴颈会有一些“品”——在琴颈上

    间隔分布的一些金属，凸出于指板但并没有接触到琴弦。因此，当一名

    吉他手将他的手指压在弦上时，弦也同时压在了品上，让品而非手指暂

    时成了弦的末端。此时弹拨琴弦，所弹音符的音高仅仅由品到琴桥之间

    的这段琴弦振动而产生。品的数量是有限的，也就意味着只有一定数量

    的、间断的音符可以在吉他上演奏。在弹拨琴弦时，调整在两个品之间

    手指的位置并不会改变弹出的音符。因此，吉他更像是“量子”乐器。此

    外，根据量子理论，频率和能量是相关的，那么振动的吉他弦就一定具

    有间断而非连续的能量。与此相类似，电子之类的基本粒子，只能拥有

    特定的波频，每种拥有特定的能量层级。当电子从一个能量层级跃迁到

    另一个能量层级时，它必须吸收或释放与其跃迁前后能级差相对应的辐

    射。

    |海森堡不确定性原理|

    到了20世纪20年代中期，欧洲的几位物理学家狂热地追求一个能够

    更加完善而一致地描述亚原子世界的数学理论。彼时的玻尔已经回到了

    哥本哈根，他也是追求数学理论的狂热者之一。他们这个群体中最聪明的人是一位来自德国的年轻天才——维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)。1925年的夏天，从一次花粉症发作中恢复过来的海森堡在一个名为

    黑尔戈兰岛的德国小岛上养病，其间，他在构建用来描述原子世界的数

    学体系时取得了重大进展。但这是一种非常奇怪的数学表达，而这个表

    达所描述的原子行为更加离奇。比如，海森堡认为，如果我们不是正在

    测量，那么我们将无法说出原子中电子的准确位置，不仅如此，由于电

    子以一种不可知的模糊方式运行，电子本身就没有一个确定的位置。

    海森堡因此被迫得出结论，原子世界是一个幽灵般非实质的地方，只有当我们架起测量设备与之互动时，它才能固定下来，成为真实的存

    在。这正是我们在引言中简要介绍的量子测量过程。海森堡指出，这个

    过程只能揭示那些可以用特殊设备测量的特征——就像汽车仪表盘上各

    个独立的工具，只能给出汽车运转时某一方面的信息，比如速度、已行

    驶的距离或是引擎的温度。因此，我们可以设计一个实验来测量某一时

    间点上电子的精确位置；我们也可以设计一个不同的实验来测量同一个

    电子的速度。但是，海森堡从数学上论证，要想设计单一的实验，按照

    我们的意愿同时测量一个电子的位置和其移动的速度是不可能的。1927

    年，这个概念被简要地概括为著名的“海森堡不确定性原理”(Heisenber

    g Uncertainty Principle)，其在世界各地的实验室中被反复证明。到现

    在为止，它依然是整个科学界最重要的创见之一，也是量子力学的一块

    基石。

    |薛定谔波动方程|

    1926年1月，几乎在海森堡发展自己理论的同一时间，奥地利物理

    学家埃尔温·薛定谔写了一篇论文，为原子描绘了一幅迥然不同的图景。在论文中，薛定谔提出了一个数学方程，也就是现在广为人知的“薛

    定谔波动方程”。该方程并没有描述粒子的运动而是描述了波进化的方式。与海森堡不同，在薛定谔的论文里，电子并不是一个在原子内绕原

    子核轨道运动的、位置不可知的、模模糊糊的粒子，而是在原子内传播

    的波。海森堡相信，如果不去测量，我们完全不可能画出电子的肖像，而薛定谔则更喜欢将没有被观测的电子想象成一个真实的物质波，只不

    过我们一观测，就会“塌缩”为一个离散的粒子。薛定谔的原子理论后来

    成了波动力学(wave mechanics)，而薛定谔方程也以描述原子内波的

    进化和运动而闻名。今天，我们认为海森堡与薛定谔的理论是对量子力

    学的两种不同的数学解读，在各自的视角下，他们都是正确的。

    无论是炮弹、蒸汽机车还是行星，每一样都由数以兆计的粒子构成

    ，当我们试图描述这些普通物体的运动时，求解需要用到基于牛顿定律

    的一组数学方程。但是，如果我们需要描述的系统属于量子世界时，我

    们需要用到的就是薛定谔波动方程了。这两套方法有一个深刻的不同之

    处。在牛顿世界中，运动方程的解是一个或一组数字，能够确定一个物

    体在给定时间点上的精确位置。而在量子世界中，薛定谔方程的解是一

    个被称为波动方程的数学量，该方程不会告诉我们一个电子在一个特定

    时间点上的确定位置，但是，它会提供一个数集来描述：当我们去寻觅

    这个电子时，该电子在不同位置出现的概率各有多大。

    当然，你可能会有这样的第一反应：这样的结果可不够好，仅仅告

    诉我们电子可能出现在哪里听起来并不像是那么有用的信息。你可能很

    想知道电子的确切位置。但是，与一个在空间中永远占据一个确定位置

    的经典物体不同，只要不去测量，一个电子就会同时出现在多个地方。

    量子波动方程覆盖整个空间，这意味着在描述电子时，我们所能做的极

    限就是算出一个数集来描述电子同时存在于空间中各点的概率，而不是

    在一个单一的位置找到电子。然而，我们必须要意识到，量子概率并不

    意味着我们的知识存在缺陷，我们也无法通过获得更多的信息来弥补这

    一“缺陷”，因为量子概率本身就是自然界在微观层面的根本性质之一。假设一个珠宝大盗刚刚获得了假释，被放出监狱。但他并没有痛改

    前非，而是旧习难改，很快重操旧业，开始在全城入室行窃。通过研究

    地图，警察能够追踪到自释放之日起他大致的行踪。虽然警察不能指出

    任一时间点上他确切的位置，但是他们能够大致确定他在城市的不同地

    区行窃的概率。

    开始时，靠近监狱的住宅区风险最大，但是随着时间的推移，面临

    风险的区域会逐渐变大。而且，根据该盗贼过去选择行窃目标的特点，警察也有一定的信心推断，更富裕、拥有更昂贵珠宝的区域比相对较穷

    的区域面临着更大的风险。这个扩散全城的“单人犯罪波”可以被看作是

    一个概率波。在不可感知、没有事实支撑的情况下，一组抽象的数字就

    被分配给了这座城市的不同区域。与此相类似，波动方程会从电子上一

    次被观测到的点开始扩散。通过计算波动方程在不同时间、不同地点的

    值，可以让我们推测电子下一次会以多大的概率出现在哪里。

    如果警察依照线报采取行动，在盗贼肩上背着赃物从窗户中爬出时

    抓他个正着，那么又该如何解释呢？在这一瞬间，警察描述盗贼行踪的

    概率分布，迅速塌缩到一个确定的位置，此时，这个盗贼一定不可能再

    出现在其他地方。同样，如果电子在一个确定的位置被检测到，其波动

    方程也会瞬间改变。在检测到电子的瞬间，在其他地方发现该电子的概

    率就变为零。

    然而，这个类比也有不贴切的地方。在抓到窃贼之前，警察只能给

    盗贼的行踪分配概率，他们这么做，是因为缺乏信息。毕竟，该盗贼一

    次只能出现在一个地方，并未真的遍布整个城市，而警察只能假设他可

    能出现在任何地方。但是，电子与盗贼形成鲜明的对比，当我们在追踪

    其运动时，我们不能假设电子在某个特定的时间点上一定会出现在某个

    特定的位置。相反，我们能描述的只有波动方程，也就是它在同一时间

    可能出现在任何地方。只有通过“看”(进行一次测量)，我们才能“迫使”电子成为一个可以定位的粒子。

    到1927年，由于海森堡、薛定谔及其他科学家的贡献，量子力学的

    数学基础基本完成。今天，它们组成了大部分物理学与化学赖以发展的

    基础，也向我们展现了一幅整个宇宙基本组成单位的非凡全景图。事实

    也确实如此，如果没有量子力学对所有事物如何协调共存的解释力，现代技术世界的一大半成果都不可能出现。

    因此，到了20世纪20年代晚期，由于在“驯化”原子世界的过程中获

    得成功让科学家备受鼓舞，几位量子理论的先驱大步地走出了他们的物

    理学实验室，开始征服一个全新的科学领域：生物学。

    量子生物学的兴起

    在20世纪20年代，生命仍是个谜。虽然19世纪的生物化学家在建立

    对生命化学的机械论理解的过程中取得了巨大进展，但许多科学家仍然

    坚持活力论的原理，认为生物学不应该被贬低到只剩下化学和物理，而

    是需要有一套自己的法则。活细胞中的“原生质”依然被看作是由未知力

    量激活的神秘物质，而遗传之谜也始终阻碍着遗传学的发展。

    但在那十年中，也涌现出一批被称为有机论者的科学家。他们既反

    对活力论者的观点，也不赞成机械论者的看法。这些科学家认为，生命

    确实还有未解的谜题，只不过这个谜题可以用尚未发现的物理和化学原

    理来解释。有机论运动中最伟大的倡议者是另外一个奥地利人，他的名

    字富有异国情调，叫路德维希·冯·贝塔朗菲(Ludwig von Bertalanffy)。他最早创作了几篇关于生物发育理论的论文，并在其1928年出版的《

    形态发生的重要理论》(Kritische Theorie der Formbildung )一书中强调了用一些新的生物原理来描述生命本质的必要性。他的思想，特别是

    在这本书中体现的思想，影响了许多科学家，包括后来量子物理学家的

    带头人之一——帕斯夸尔·约尔旦(Pascual Jordan)。

    约尔旦出生于德国汉诺威并在当地接受教育，后来在哥廷根师从量

    子力学的奠基人之一马克斯·玻恩(Max Born)。1925年，约尔旦与玻

    恩共同发表了堪称经典的《论量子力学》(Zur Quantenmechanik )。

    一年后，其“续集”《论量子力学 Ⅱ》问世，由约尔旦、玻恩和海森堡

    合著。这篇被称为“三大师杰作”的论文，被奉为“量子力学经典”之一，因为该文包括了海森堡创造性的突破，并以优雅的数学之美表现了原子

    世界的行为。

    次年，当机会出现时，约尔旦做了一个欧洲同时代任何一个有上进

    心和自尊心的年轻物理学家都会做的选择：到哥本哈根与尼尔斯·玻尔

    一同工作。大约在1929年左右，他们两人开始讨论量子力学是否有可能

    在生物学领域中具有某些应用。后来，约尔旦回到德国，在罗斯托克大

    学任教，在接下来的两年中，他与玻尔保持通信，就物理学与生物学的

    关系展开讨论。他们的思想集中呈现在约尔旦于1932年发表在德国杂志

    《自然科学》(Die Naturwissenschaften )上的一篇题为《量子力学与

    生物学和心理学的根本问题》(Die Quantenmechanik und die Grundprob

    leme der Biologie und Psychologie )的论文中，该文也被有些学者视为“

    量子生物学的第一篇科学论文”。

    约尔旦在文章中确实表达了一些对生命现象的洞见，其中一个有趣

    的想法在此处萌芽，约尔旦称之为“放大理论”(amplification theory)。

    约尔旦指出，非生命物体由数以百万计的大量粒子的平均随机运动来控

    制，单一分子的运动对整个物体的影响微乎其微。但是，他认为，生命

    却大不相同，因为生命是由处于“控制中心”内的极少数分子来管理的，这些分子具有独裁式的影响力，影响关键分子运动的量子事件，比如海森堡不确定性原理将被放大，对整个生命体产生影响。

    这是一个非常有趣的思想，之后我们还会回头讨论，但是，该理论

    在当时并没有得到发展，也没有产生很大的影响力。因为，在1945年德

    国战败后，约尔旦的政治观让他在同时代的科学家中声名狼藉，他在量

    子生物学方面的思想也因此被忽视了。其他在生物学与量子物理学之间

    牵线搭桥的科学家也受到战争的波及，四散飘零；而物理学，因为核弹

    的使用动摇了其核心，也将它的注意力转向了更为传统的问题。

    不过，量子生物学的火焰依然熊熊燃烧着，守护这火种的不是别人

    ，正是量子波动方程的发明者——埃尔温·薛定谔。在第二次世界大战

    爆发前夕，由于纳粹政权认为他的夫人是“非雅利安”血统，薛定谔举家

    逃离奥地利，在爱尔兰定居下来。正是在那里，他于1944年出版了一本

    书，书名是一个开门见山的问题——《生命是什么》(What Is Life？ )。

    在此书中，薛定谔提出了一种对生物学的全新理解，至今仍是量子

    生物学领域的核心，当然也是本书的核心。在结束本章对科学史的回顾

    之前，让我们先略微展开介绍一下薛定谔的洞见。

    来自有序的有序

    让薛定谔萌生兴趣的问题是谜一样的遗传过程。你或许还记得，那

    是20世纪上半叶，科学家们仅仅知道基因可以从一代传递到下一代，却

    不知道基因的组成或其工作原理。于是，薛定谔开始思考，究竟是什么

    法则让遗传保持了如此高的精确性？换句话说，相同的基因拷贝如何能

    在代际间几乎一丝不变地传递？薛定谔知道，诸如热力学定律之类的经典物理学与化学规律，虽然

    精确可以重复验证，但实质上都是统计规律，背后是原子或分子的随机

    运动，也就是说，它们只有在平均意义上是正确的，也只有在包含了极

    大量的粒子相互作用后，才是可靠的。回到之前那个台球桌的模型，单

    球的运动是完全不可预测的，但是如果在台面上扔大量的球，随机地撞

    击它们一小时左右，你就能做出预测，此时大部分球已经进洞。热力学

    的原理正是如此：大量分子的平均行为是可预测的，而单一分子的行为

    却不可预测。薛定谔指出，像热力学定律之类的统计规律，不能精确地

    描述仅由少量粒子构成的系统。

    比如，让我们以罗伯特·玻意耳(Robert Boyle)与雅克·查理(Jacq

    ues Charles)于约300年前提出的气体定律为例。他们描述了气球中气体

    的体积在受热时如何膨胀、在遇冷时如何收缩的规律。这个现象后来可

    以用一个简单的数学公式来概括描述——理想气体状态方程。 [19]

    一个

    气球遵循这些规规矩矩的定律：当你给它加热时，它就膨胀；当你让它

    冷却时，它就收缩。虽然气球遵循这些定律，不过，事实上，气球里数

    以兆计的分子正在像毫无秩序的台球一样各自做着完全随机的运动，互

    相碰撞、抖动，在气球的内壁上反弹等。那么，完全无序的运动是如何

    产生出秩序井然的定律的呢？

    当气球被加热时，气体分子运动加剧，使它们在互相碰撞或与气球

    内壁碰撞时的力量有了轻微的增加。额外的力对气球的弹性表面产生更

    多压力，使其扩张(就像台球对玻尔兹曼台球桌上那个可移动的短杆所

    做的事情一样)。扩张的量取决于提供的热量有多少，完全可以预测，可以通过计算气体方程准确地描述出来。此处的要点在于，像气球一样

    的单一物体严格遵守气体定律，因为气球表面单一、连续而有弹性，其

    有序运动来自极大量粒子的无序运动，用薛定谔的话说，产生了“来自

    无序的有序”(order from disorder)。薛定谔继续论证道，不仅只有气体定律从大数统计中获得了准确性

    ，所有的经典物理学及化学定律——包括描述流体动力学或化学反应的

    定律——无一不是基于“大数的平均”或“来自无序的有序”这一原理。

    不过，虽然一个填充有数以兆计气体分子的、正常大小的气球永远

    遵守气体定律，但一个微观的气球，一个小到只填充有几个气体分子的

    气球却不然。因为，即使在恒温下，这几个分子也会间或地、完全随机

    地互相远离，使气球膨胀，同理，它们也偶尔会完全随机地向内运动，使气球收缩。因此，一个极小气球的行为在很大程度上将变得不可预测。

    在生活的其他方面，基于大数的秩序性及可预测性对我们来说已经

    非常熟悉了。比如，美国人比加拿大人喜欢打棒球，而加拿大人比美国

    人喜欢打冰球。基于这项统计“规律”，一个人可以对这两个国家做一些

    进一步的预测，比如美国会比加拿大进口更多的棒球，而加拿大会比美

    国进口更多的冰球棍。但是，尽管这样的统计“规律”对有几百几千万居

    民的国家来说具有预测性价值，但是它们却无法精确地预测单个的小镇

    ，比如一个位于明尼苏达州或萨斯喀彻温省的小镇中冰球棍或棒球的贸

    易。

    薛定谔并不只是简单地认识到经典物理学的统计规律在微观层面并

    不适用，他更近一步量化了精确性衰退的过程，计算出那些统计规律的

    离差与涉及粒子数量的平方根成反比。因此，一个填充有1012 粒子的气

    球，其对气体定律的偏离程度是1106 。然而，一个仅填充有100个粒子

    的气球，其偏离有序行为的程度就达到了110。虽然此时该气球受热仍

    然会膨胀，遇冷仍然会收缩，但是它的行为不再能被任何确定性的定律

    所描述。经典物理学的所有统计规律都受制于这样的限制：对于由极大

    量粒子组成的物体来说，它们是正确的，但它们却不能描述由少量粒子

    组成的物体的行为。所以，任何依赖于经典定律可靠性与规律性的物体来自无序的有序和来自有序

    的有序

    order from disorder, order f

    rom order

    薛定谔提出有序事件的产生

    ，有两种不同的“机制”：“

    来自无序的有序”的“统计学

    机制”和“来自有序的有序”

    的一种机制。“有序来自有

    序”似乎很简单，很合理。

    而“来自无序的有序”是基于

    对极大量粒子无序运动的统

    计结果。

    ，自身需要由大量的粒子构成。

    那么生命呢？生命的有序行为，比如其遗传规律，是否可以用统计

    规律解释呢？在思考这一问题时，薛定谔总结道，奠定了热力学基础的

    “来自无序的有序”原理无法解释生命——因为，在他看来，至少有一些

    极其微小的生物“机器”因为太小而不适用经典定律。

    比如，在薛定谔撰写《生命是什么

    》那个年代，遗传被认为由基因来控制

    ，但是基因的性质又是个谜——薛定谔

    问了一个简单的问题：基因是否大到足

    以保证其在复制过程中对精确性的偏离

    符合统计上的“来自无序的有序”呢？他

    后来大致估算出单个基因的体积应该是

    边长不大于300埃 [20]

    的立方体。这样一

    个立方体大约能够容纳100万个原子。这

    听起来好像还挺多的，但是100万的平方

    根是1 000，因此，按照这种方法推断出

    的遗传中的不精确性或“噪音”应该是0.1

    %。因此，如果遗传是基于经典的统计

    规律，它产生错误的程度(偏离规律)

    应该是0.1%。但是，事实上基因的传递

    非常准确，其变异率(错误率)小于11

    09 。这种非比寻常的高精度让薛定谔相

    信，遗传规律不可能建立在“来自无序的

    有序”的经典定律之上。相反，他认为基因更像是单个的原子或分子，符合另一科学领域的规律，非经典但拥有奇特的秩序，也就是由他做出

    的贡献的量子力学领域。薛定谔提出，遗传应该基于一种新的原理，即

    “来自无序的有序”(order from order)。薛定谔最先于1943年在都柏林圣三一学院的一系列演讲中介绍了这

    一理论，随后将其发表在次年出版的《生命是什么》一书中。他在书中

    写道：“生命有机体似乎是一个宏观系统，该系统的一部分倾向于某种

    行为……所有的系统在当温度趋近绝对零度且分子的无序状态消除时，都将趋向于这种行为。”由于某些我们即将讨论的原因，在绝对零度时

    ，所有的物体都服从量子的而非热力学的定律。

    薛定谔认为，生命正是一种能在空中飞翔、能用两足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生长，或是能阅读此书的量子现象。

    生命是量子的

    在薛定谔的书出版之后几年，人类发现了DNA分子的双螺旋结构，分子生物学——一个基本不会涉及量子现象的学科——也如雨后春笋般

    成长起来。基因克隆、基因工程、基因组鉴定、基因组测序被生物学家

    发展起来，而这些科学家总体上心安理得地忽视了在数学上具有挑战性

    的量子世界。虽然，大多数科学家偶尔也尝试在生物学与量子力学的边

    界上游走，但他们忘记了薛定谔大胆的提议，许多人甚至公开反对将量

    子力学引入对生命的解释中。比如，英国化学家与认知心理学家克里斯

    托弗·朗吉特-希金斯(Christopher Longuet-Higgins)曾于1962年写道：

    我记得几年之前曾有关于在酶与底物之间可能存在长距的量子力的讨论。然而

    ，对这种假设持保留意见绝对是正确的。因为该假设不仅缺乏可靠的实验证据，而

    且也很难与分子间作用力的一般理论相调和。

    到了1993年，《生命是什么？未来五十年》(What is Life?The Next

    Fifty Years )一书出版了。当时在都柏林举办了纪念薛定谔理论发表50

    年的学术会议，该书正是参会学者的论文合集，不过书中对量子力学却鲜有提及。

    当时，对薛定谔理论的质疑主要源于一个普遍的共识：微妙的量子

    状态不可能在活体生物内部温热、湿润、杂乱的分子环境中存在。正如

    我们在引言中指出的那样，这也是为什么许多科学家曾经非常质疑“鸟

    类罗盘由量子力学所主宰”的主要原因(许多科学家现在仍然在质疑)。你或许还记得，当在引言中讨论这个问题时，我们认为物质的量子性

    质会被物体内部分子的随机运动“抵消”掉。现在，我们可以用热力学的

    观点来看看这种损耗的原因：薛定谔发现，像台球一样的分子冲撞正是

    “来自无序的有序”这一统计规律的源头。

    随机散布的粒子可以通过重新排列整齐来揭示其隐藏的量子性质，但这种重新排列通常只能在特殊环境下进行，而且只能维持极短的时间。比如，我们曾提到，基于量子自旋，散布在我们体内随机自旋的氢原

    子核，可以排列整齐生成一个连续一致的核磁共振信号，但只有在一个

    由强力磁铁提供的极强磁场中，而且只有当磁力能够维持时才能实现：

    只要磁场一关闭，粒子又会在所有分子的冲撞中恢复随机排列，量子信

    号重新变得分散而难以探测。随机分子运动会干扰精心排列的量子系统

    ，这种现象被称为“退相干”(decoherence)。正是这种现象快速地抵消

    掉了宏观非生命物体奇特的量子效应。

    提高身体的温度会增加分子冲撞的能量和速度，因此，退相干现象

    在较高的温度下更为常见。但你可别以为“较高的温度”指的是我们认为

    “热”的温度。事实上，即使在常温下，退相干也无时无刻不在发生。这

    就是为什么“温热的生命体可以保持微妙的量子状态”至少在一开始时让

    人觉得不合情理的原因。只有当物体温度降到接近绝对零度——-273℃

    ——随机分子运动才会完全静止，并使退相干现象消失，量子力学的作

    用才会显现出来。上文刚引用过薛定谔的话，现在我们明白了他的意思。这位物理学家的意思是，生命设法按照一套特殊的规则行事，而这套规则通常只有在比任何生物都低273℃左右的环境中才能运行。

    但是，正如约尔旦或薛定谔主张的那样，随着阅读的深入，你会发

    现，生命不同于非生命物体。数量相对较少却高度有序的一些粒子，比

    如一个基因或是鸟类罗盘内部的那些粒子，能对整个生命体造成巨大的

    影响。这正是约尔旦所说的“放大效应”，也是薛定谔所谓的“来自有序

    的有序”。你眼睛的颜色、鼻子的形状、性格的方方面面、智力水平甚

    至包括患不同疾病的倾向，其实都已经由46个高度有序的超级分子精确

    地决定了。这些超级分子正是你从父母那里继承来的DNA染色体(共46

    条)。在已知的宇宙中，没有任何一种宏观非生命物体能够对结构精细

    而又如此微小的物质拥有这样的敏感度。在这样一个微小的层次，量子

    力学取代了经典定律，统领着一切。薛定谔论证道，正是这个现象让生

    命如此与众不同。2014年，在薛定谔的书出版70年后，我们终于体会到

    了他的良苦用心，开始懂得欣赏这位科学家给出的绝妙答案及其令人震

    惊的影响。而此时，薛定谔在70年前回答过的问题依然值得我们反复

    自问：生命是什么？02

    酶是生命的引擎

    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”。大约在6 800万年以前，在那段我们现在称为白垩纪晚期的时间里，一只

    年轻的霸王龙正沿着植被稀疏的河谷向一片亚热带森林前进。这只霸王龙大

    约18岁，还未成年，但其站立时身高已达5米。它行进的每一步都显得笨重

    ，要用足够的动力把自己数以吨计的躯体向前推进，力量之大，使它一路披

    荆斩棘，挡路的树木被推倒在地，而其他不幸的小型生物更是被踩在脚下。

    在能使自身肉体瓦解的作用力下，如此巨大的身体能够保持自身的完整

    性，要多亏一种坚韧而有弹性的蛋白纤维——胶原蛋白。胶原蛋白让身体的

    每一根骨头、每一条肌腱与肌肉保持在本来的位置。这种蛋白就像一种胶水

    ，将血肉黏合，同时它也是包括人类在内的所有动物的基本成分。像所有生

    物大分子一样，胶原蛋白由已知世界中最令人惊叹的“机器”组装或分解。我

    们本章的焦点就聚焦在这些生物“纳米机器”如何运作的问题上，而且由此开

    始，我们将探讨一些最新的发现。新发现告诉我们，正是由于构成这些生物

    机器的“齿轮”和“杠杆”一直深入到量子世界之中，我们和其他所有生物才能

    活着。

    不过，首先还是让我们先回到那个古老的河谷。这一天，霸王龙那由无

    数“纳米机器”组成的庞大身躯反而给它埋下了祸根。在陷入松软河床上黏糊

    糊的淤泥后，霸王龙那在追捕和撕碎猎物时极为有用的四肢变得使不上力气。在几个小时的无谓挣扎之后，霸王龙巨大的口腔已灌满了泥水，这头垂死

    挣扎的野兽没入了泥浆。像《哈姆雷特》中掘墓人所说的“尸体”一样，在绝

    大多数情况下，动物的血肉会很快腐败，但这头霸王龙沉得实在太快了，以

    至于它的整个身体很快就被埋在了厚厚的、能够保护肉体的泥沙之中。斗转

    星移，在漫长的岁月中，颗粒微小的矿物质渗透进了霸王龙骨骼与血肉组织

    的孔隙与空腔之中，使其原来的组织石化：恐龙的尸体变成了恐龙化石。在

    地表，河流依然不停地在如画的风景中蜿蜒流淌，连绵不断地沉积着砂砾泥

    石，慢慢地，化石之上的砂石和页岩已沉积了数十米之厚。大约4 000万年之后，气候变暖，河床干涸，覆盖着长眠已久的恐龙尸骨

    的岩层，在炎热干燥的风中受到了侵蚀。又过了2 800万年，另一种两足物种

    ——现代智人——走入了河谷。但是，这种直立行走的灵长类动物大多数避

    开了这个干燥而不友好的环境。时间继续向前推移，欧洲殖民者来到了这片

    土地，将这片不宜居住的土地称为“蒙大拿的荒地”(Badlands of Montana)

    ，并将这个干燥的河谷称为“地狱溪”(Hell Creek)。2002年，一队古生物学

    家在这里安营扎寨，他们的带头人是非常著名的化石猎手杰克·霍纳(Jack H

    orner)。团队成员之一鲍勃·霍蒙(Bob Hormon)在吃午饭时发现，就在他

    的头顶之上，一块巨大的骨头从岩石里凸了出来。

    在之后的三年时间里，整副恐龙骨架的近乎一半被小心翼翼地从周

    围的石块中发掘了出来，运往位于蒙大拿州博兹曼市的落基山博物馆。

    标本在这里被编码为MOR 1255。许多机构参与了这项任务，包括美国

    陆军工程兵团的一架直升机以及许多研究生。为了能装上直升机，一块

    霸王龙的股骨被切成了两半，而在此过程中，一块石化的骨骼碎掉了。

    杰克·霍纳将其中几块碎片送给了他同为古生物学家的同事玛丽·施魏策

    尔(Mary Schweitzer)，因为他知道施魏策尔会对化石的化学组成感兴

    趣。

    打开盒子时，施魏策尔感到万分惊喜。她在检验第一块碎片时就发

    现，在该化石骨骼内部(骨髓腔)似乎有着看起来极不寻常的组织。她

    将骨骼化石放在酸中处理，希望酸浴能够将其外部石化的矿物质溶解，以便观察其内部更深层次的结构。然而，由于意外，她让化石在酸浴中

    待了太长时间。等到她回头来看这个实验时，才发现所有的矿物质已经

    全都溶解了。施魏策尔本以为整块化石都已分解，但她和她的同事们惊

    奇地发现，一种柔韧的纤维物质竟留存了下来，在显微镜下看起来，它

    与现代动物骨骼中常见的软组织如出一辙。而且与现代骨骼一样，这种

    组织中似乎填充着许多血管、血细胞和长链状的胶原蛋白——让笨重的

    生物体保持整体性的“生物胶水”。

    含有软组织的化石很稀少但也绝非没有先例。1910—1925年间，在加拿大不列颠哥伦比亚省的落基山脉中发掘出了伯吉斯页岩化石(Burg

    ess Shale fossil)。化石保留了大量惊人的细节，非常详实，其中的生物

    生活在约6亿年前的寒武纪，化石成形时它正在海洋中游曳。无独有偶

    ，在德国索伦霍芬采石场出土的带羽毛的始祖鸟也非常著名，该鸟生活

    在距今约1.5亿年前。

    但是，这些传统的软组织化石只保留了生物组织的“印象”，而非实

    际的“物质”，而从施魏策尔的酸浴中留存下来的似乎就是恐龙的软组织

    本身。2007年，施魏策尔将其发现发表在著名的《科学》杂志上，一开

    始，她的文章让人很吃惊，也受到了相当程度的质疑。虽然，生物分子

    能穿越数百万年的时空而保存下来确实让人震惊，但这个故事中后来发

    生的事情才是本书关注的重点。

    为了证明纤维结构确实是由胶原蛋白构成的，施魏策尔先是演示了

    能附着在现代胶原蛋白上的蛋白同样也能附着在从古老的骨骼中发现的

    纤维上。作为终极测试，她又将恐龙组织与胶原蛋白酶混合，这种酶正

    是众多“生物分子机器”中的一员，能够组成和解构动物体内的胶原蛋白

    纤维。仅仅几十分钟之内，紧密结合了6 800万年的胶原蛋白链就被该

    酶破坏了。

    酶是生命的引擎。也许有些我们耳熟能详的酶类，其日常用途看起

    来似乎很平凡，比如在一些所谓的“生物”洗涤剂中添加的蛋白酶能洗去

    污渍，果酱中的果胶酶能使果酱凝结，牛奶中加入的凝乳酶能让牛奶凝

    结成为奶酪。我们或许还要感谢我们的胃与小肠中的多种酶类在消化食

    物时扮演的重要角色。但对于自然中的“纳米机器”，这只是些微不足道

    的例子。无论是“原始汤”中涌现的第一群微生物，还是穿越侏罗纪森林

    的恐龙，抑或是直到今日还存活的每一种生物，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”。

    此处，“帮助”是描述酶类行为的关键词：它们的工作就是加速(催

    化)所有生化反应，否则，这些生化反应会变得极其缓慢。因此，洗涤

    剂中的蛋白酶加速了污渍中蛋白质的分解，果胶酶加速了水果中果胶的

    分解，而凝乳酶则加速了牛奶的凝结。与此类似，细胞中的酶类加速了

    我们的新陈代谢：在此过程中，我们细胞内数以兆计的生物分子持续地

    转化为数以兆计的其他生物分子，让我们能够活着。

    施魏策尔加在恐龙骨骼上的胶原蛋白酶只是诸多“生物机器”中的一

    种，该机器在动物体内的日常工作就是分解胶原蛋白纤维。通过比较两

    个反应的时间——没有加酶时胶原蛋白自身分解消失的时间(很明显，要大于6 800万年)与加入恰当的酶后胶原蛋白分解的时间(大约30分

    钟)——我们可以粗略地估计酶让反应变快的比率：这是1012 倍的差别。

    在本章中，我们将会探讨胶原蛋白酶之类的酶是如何以天文数字般

    的倍率加速化学反应的。近年来，科学探索的意外收获之一就是量子力

    学至少在某些酶的作用中起着关键作用。因为酶对生命至关重要，所以

    就让它们成为我们探索量子生物学之旅中停靠的第一站吧。

    生死攸关的酶

    在真正发现和详细描述酶之前，人类对酶的利用已经持续了几千年。几千年前，我们的祖先可以通过添加酵母使谷子变成啤酒、葡萄汁变

    成红酒，而酵母本质上就是一包以细菌为包装的酶 [21]。我们的祖先还

    知道，小牛胃黏膜的提取物(凝乳酵素)可以加速将牛奶转变为奶酪的过程。许多世纪以来，人们一直认为，这些转变是由活体生物的“生命

    力”实现的，是“生命力”赋予该过程以活性，产生了生死之别的转变速

    度。

    1752年，受到笛卡儿机械论哲学的启发，法国科学家列奥米尔(Re

    né Antoine Ferchault de Réaumur)开始研究所谓的生命活动之一——消

    化。他做了一个天才式的实验。

    当时普遍认为，动物靠磨碎和搅拌等消化器官

    内的机械过程来消化食物。这种理论与鸟类的行为

    尤其契合，鸟胃内含有小石块可以磨碎食物——这

    种机械行为与笛卡儿的观点一致。在第1章中，我

    们简要地描述过笛卡儿的观点，他认为动物不过是

    机器。但是，食肉鸟类胃里没有帮助消化的砂石，它们又是如何

    消化食物的呢？这让列奥米尔迷惑不解。因此，他把小块的肉装

    在扎有许多小洞的极小的金属胶囊内喂给了自己养的隼。当他打

    开金属胶囊后发现，里面的肉已经完全被消化了。因为有金属的

    保护，肉不可能受到任何机械活动的影响。显然，至少有一种生

    命的“力”不可以用笛卡儿的齿轮、杠杆和转盘来解释。

    又过了一个世纪，另一个法国人、著名化学家与微生物学的奠基人

    路易·巴斯德研究了另外一种一直被归因于“生命力”的生命转化现象：

    从葡萄汁到红酒的转变。巴斯德证明，发酵转化的原理在本质上似乎与

    活酵母菌细胞有关，这种菌既出现在酿酒工业中，也出现在制作面包的

    酵母中。德国生理学家威廉·弗里德里希·屈内(Wilhelm Friedrich Kühne)于1877年首次使用了“酶”(在希腊语中即指“在酵母中”)这个术语描

    述这些“生命活动”中的媒介，而“生命活动”也不单指由活酵母细胞引起

    的发酵，而是包括所有由活体组织的提取物所推动的转化现象。那什么是酶呢？它们又是怎样加快生命转化的呢？让我们回到本章

    开头故事中的酶——胶原蛋白酶。

    蝌蚪的尾巴哪去了

    |胶原蛋白酶|

    胶原蛋白是包括人类在内的动物体内最丰富的蛋白质。它像一种分

    子线，在我们的组织里与组织间穿梭，将我们的肉体紧紧地结合在一起。像所有其他蛋白质一样，它由基本的化学结构单位组成。串成链状的

    氨基酸大约有20种。其中有几种，你可能会比较熟悉，比如像甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等氨基酸，是可以在健康食品店买

    到的营养保健品。每个氨基酸分子由10～50个碳、氮、氧、氢原子，有

    时也有硫原子，靠化学键结合在一起，组成自己与众不同的三维结构。

    之后，几百个这样扭曲的氨基酸分子会串在一起形成蛋白质，就像

    一串颗颗形状各异的念珠。每个念珠通过“肽键”与下一颗念珠连接，肽

    键连接了一个氨基酸中的碳原子与下一个氨基酸中的氮原子。肽键很强

    ——别忘了，肽键可是让霸王龙体内的胶原蛋白纤维紧密结合6 800万

    年!

    胶原蛋白是一种特别稳固的蛋白质，这对于其作为内部纽带维持生

    命组织形状与结构的角色至关重要。三股胶原蛋白会缠在一起，结合成

    一股“粗绳”或“纤维”。这些纤维会像线一样在我们的组织间穿梭，把我

    们的细胞“缝”在一起。在连接骨骼与肌肉的肌腱中，在连接骨骼与骨骼

    的韧带里，同样有胶原蛋白纤维的身影。这个由胶原蛋白纤维织成的紧

    密网络被称为细胞外基质(extracellular matrix)，正是它让我们的身体结为一体。

    如果吃过或者见过肉类食材的话，大家其实对细胞外基质已经很熟

    悉了，因为在一根不太好嚼的香肠或是一片廉价的肉中，难免会遇到多

    筋的软骨。厨师们也知道这种多肌腱的食材不太好消化，即使炖上几个

    钟头往往也不能变嫩。但无论细胞外基质在晚餐中多么不受欢迎，它在

    人们体内的存在却是绝对生死攸关的。没有胶原蛋白，我们的骨头就会

    分崩离析，我们的肌肉会从骨头上剥离，我们的内部器官也会变成一堆

    糨糊。

    但是，在你的骨骼、肌肉或晚餐中的胶原蛋白纤维并非坚不可摧。

    在强酸或强碱中煮沸它们，将最终使连接氨基酸“念珠”的肽键断裂，将

    这些强韧的纤维变成可溶的明胶。这种状如果冻的物质可以用来做棉花

    软糖或是果冻。电影迷们可能还记得在电影《捉鬼特工队》(Ghostbust

    ers )中的棉花糖宝宝，它那像山一样的白色躯体，步履沉重、摇摇晃

    晃地碾压过来，让纽约陷入一片恐慌。不过，棉花糖宝宝最后被轻易地

    打败了，被熔化成了一滩棉花糖浆。胶原蛋白纤维中氨基酸“念珠”间的

    肽键正是棉花糖宝宝与霸王龙不同之所在。坚韧的胶原蛋白纤维让真实

    的动物变得坚韧。

    不过，当我们用像胶原蛋白一样坚韧而耐久的材料支起动物的躯体

    时，还面临一个问题。想象一下你不小心切到或是擦伤了自己，或更甚

    一步，假设你跌断了一条胳膊或一条腿，这时，组织被破坏了，起支持

    作用的细胞外基质或者说内部多筋的网络也很可能受损或破碎。如果一

    幢房子被一场风暴或地震摧毁，修缮工作一定会先从清理被破坏的框架

    开始。与此类似，动物的躯体用胶原蛋白酶来清除细胞外基质受到损害

    的部分，使组织通过另一套酶的作用得以修复。

    更为重要的一点是，随着动物的生长，细胞外基质必须持续地重塑

    自身的形态：能够维持婴儿体形的内部结构将无法支持高大很多的成年人。在成年与幼年形态截然不同的两栖类动物中，这个问题很尖锐，因

    此，问题的答案也就特别富有启发性。

    |变态发育|

    我们最熟悉的例子莫过于两栖类动物的变态发育：从一个球形的卵

    变成摇头摆尾的蝌蚪，之后进一步发育成熟，变成一只活蹦乱跳的青蛙。在侏罗纪的岩层中发现的化石显示，这些两栖类动物身材短小，没有

    尾巴，有着非常明显而有力的后肢。这些古老的化石可以追溯到两亿年

    前的中生代中期，也就是著名的“爬行动物时代”。但这些两栖动物的身

    影同样也出现在白垩纪的岩层中。如此看来，当最终变成MOR 1255号

    化石的那头恐龙在蒙大拿州的河流中遇难时，青蛙们似乎正在同一条河

    中游泳。但是，与恐龙不同，青蛙们在白垩纪的物种大灭绝中活了下来

    ，直到现在依然是池塘、河流和沼泽中常见的生物，让一代又一代的学

    龄儿童和科学家得以研究它们的身体组成与变态发育过程。

    由蝌蚪到青蛙的变态包含了相当可观的拆卸与重构，比如蝌蚪的尾

    巴，躯体会逐渐将其重新吸收，而尾巴的肉体在回收利用后，将构成青

    蛙新的四肢。所有这一切都需要以胶原蛋白为基础的细胞外基质在重组

    为新的四肢之前被快速地分解掉。但请不要忘了在蒙大拿岩层中的6 80

    0万年：胶原蛋白纤维可不是那么轻易就能破坏的。如果完全依赖于胶

    原蛋白化学分解的无机过程，那么青蛙的变态发育可能要花上漫长的时

    光。显然，动物不可能将自己坚韧的肌腱泡在沸腾的热酸中。因此，动

    物需要一种更加温和的分解胶原蛋白纤维的方法——这正是胶原蛋白酶

    的用武之地。

    但胶原蛋白酶和它的伙伴们是如何工作的呢？认为“酶的活性由某

    种神秘的活力来调控”的活力论观点一致持续到19世纪晚期。在那个时

    候，屈内的一位同事化学家爱德华·布希纳(Eduard Buchner)发现，从酵母细胞中得到的非生命提取物可以激发与活细胞完全相同的化学转化。布希纳更进一步地提出了颠覆性的假设：所谓的“生命力”不过是一

    种“催化反应”(catalysis)。

    催化剂是能够加速普通化学反应的物质，到19世纪时已为化学家们

    所熟知。事实也确实如此，许多推动工业革命的化学反应过程，所依赖

    的关键正是催化剂。比如，硫酸是一种推动工业与农业革命的基本化学

    原料，在钢铁制造业、纺织工业中使用广泛，也用来制造磷酸肥料。硫

    酸的制备反应要用到二氧化硫和氧气作为“反应物”，此两者与水反应形

    成“产物”——硫酸。然而，此反应非常缓慢，一开始的时候很难商业化。到了1831年，英格兰布里斯托尔的一位食醋制造商佩里格林·菲利普

    斯(Peregrine Phillips)发现了加速该反应的方法，它让二氧化硫和氧气

    在热铂上反应，而铂的作用正是催化剂。催化剂与反应物(参与反应的

    初始物质)不同，因为它们虽然能够加速反应，但是并不直接参与反应

    或被反应改变。因此，布希纳认为，酶与菲利普斯发现的无机催化剂并

    无本质区别。

    之后数十载的生化研究不断证实布希纳的洞见。小牛胃中的凝乳酵

    素是第一种实现提纯的酶类。古埃及人将牛奶保存在用小牛的胃黏膜做

    成的袋子里。通常认为，正是埃及人首先发现用这种看起来最不可能的

    物质，可以让牛奶加速凝结为奶酪，以便更好地储存。这种制奶酪的方

    法一直持续到19世纪末期。那时，人们将小牛的胃直接烘干，在药店里

    作为“凝乳剂”来出售。到了1874年，丹麦化学家克里斯蒂安·汉森(Chri

    stian Hansen)去一家药店应聘工作，在面试时，无意间听到药店新到了

    一打烘干的胃膜。在问询了这些是什么之后，他萌生了一个想法，希望

    用自己化学方面的知识和技能制作一种不那么难闻的凝乳剂。汉森回到

    自己的实验室，开发出了一种新方法，从重新补水后的小牛胃中提取液

    体，然后将这种恶臭的液体烘成干粉。通过将这个产品商业化，汉森大

    赚了一笔。“汉森医生的干胃膜提取物”也因此行销全球。小牛胃中的凝乳酵素其实是几种不同酶类的混合物。就制造奶酪而

    言，其中最活跃的要数凝乳酶(chymosin)。它是加速蛋白质分解的蛋

    白酶大家族中的一分子，在奶酪制作中扮演的角色是让牛奶凝固，分成

    凝乳块和乳清。凝乳酶在小牛犊体内的本来作用是使牛犊摄入的牛奶凝

    结，以便牛奶能在其消化道留存更久，从而为吸收留下更长的时间。胶

    原蛋白酶是另外一种蛋白酶，不过，直到19世纪50年代，当波士顿哈佛

    医学院的临床科学家杰尔姆·格罗斯(Jerome Gross)对蝌蚪如何吸收自

    己的尾巴变成青蛙这一问题萌生了兴趣时，胶原蛋白酶的提纯方法才被

    开发出来。

    格罗斯对胶原蛋白纤维扮演的角色很感兴趣，认为这是分子自我组装的一个范例，其中包含了一

    个“重大的生命奥秘”。他决定研究体型长达数厘米

    的牛蛙蝌蚪的大尾巴。格罗斯准确地猜测到，在尾

    巴重吸收的过程中，一定包含了大量动物胶原蛋白

    纤维的组装和分解。为了检测胶原蛋白酶的活动，他发明了一种

    简单的测试，在培养皿中填充了一层牛奶样的胶原蛋白胶体，里

    面装满了坚韧、耐久的胶原蛋白纤维。当他把蝌蚪尾巴组织的碎

    片放在胶体表面时，他发现在组织周围的一个区域中，坚韧的胶

    原蛋白纤维被分解成了可溶的明胶。后来，他提纯了使胶原蛋白

    分解的物质——胶原蛋白酶。

    胶原蛋白酶在青蛙及其他动物的组织中都存在，包括那只将遗骸留

    在地狱溪的恐龙。时至今日，该酶的功能依然与6 800万年前一样——

    分解胶原蛋白纤维。只不过当恐龙死去并沉入泥沼时，它体内的酶沉默

    了，这样才使恐龙的胶原蛋白纤维安然无恙地保留到现在，直到施魏策

    尔将新鲜的胶原蛋白酶加在其骨骼碎片之上，才又重新分解。

    胶原蛋白酶只是动物、植物、微生物在进行几乎所有重要生命活动时所需的数百万种酶之一。有的酶参与合成细胞外基质的胶原蛋白纤维

    ，或者合成像蛋白质、DNA、脂肪、碳水化合物这样的生物大分子，而

    又有一套完全不同的酶来分解和回收利用这些分子。酶在消化、呼吸、光合作用、新陈代谢中都起着重要的作用。酶让我们得以生存，让我们

    能继续活下去。酶是生命的引擎。

    但是，难道酶只是生物催化剂吗？难道酶的作用与制备硫酸和其他

    工业原料的化学过程是一样的吗？几十年前，大多数生物学家可能会同

    意布希纳的观点，认为生命的化学与化学工厂里的反应甚或是小孩的化

    学实验没有什么两样。但在过去的20年间，这种观念发生了根本转变，因为一系列关键的实验为酶的工作机理提供了引人注目的新解释。比起

    老旧而经典的化学催化剂，生命催化剂似乎能够触碰到更深层次的现实

    ，并巧妙地用到一些量子的把戏。

    不过，为了更好地解释为什么生命的活力需要用到量子力学，我们

    必须先研究一下平淡无奇的工业催化剂的工作原理。

    |肽键的断裂|

    催化剂有许多不同的运作机理，但大多数可以用一种被称为“过渡

    态理论”(transition state theory，简称TST)的解释来理解。过渡态理论

    为催化剂加速化学反应提供了一种简单的解释。为了理解过渡态理论，我们或许有必要把问题反转思考，先来考虑为什么需要用催化剂来加速

    反应。答案是，我们所处环境中大多数常见的化学物质是稳定且不活跃

    的。它们既不会即时分解也不会时刻准备着与其他化学物质反应。毕竟

    ，如果它们能做这两者之一的话，它们将不再是常见的化学物质。

    常见物质之所以稳定，是因为在物质中始终存在的分子震荡，尽管

    无从避免，但并不能经常性地使常见物质的化学键断裂。我们可以对这一过程进行视觉化的描述，反应物分子需要爬上一个“山坡”，越过它们

    与产物之间的一个山丘，然后才能转变为产物(见图2-1)。爬上“山坡”所需的能量大部分由热能提供。热能可以加速分子和原子的运动，使

    它们的运动或振动变快。分子间的跃动与碰撞可以破坏分子内连接原子

    的化学键，甚至可能使它们形成新键。但是那些相对更加稳定的分子，比如日常环境中常见物质的分子，连接其原子的化学键结合得很紧密，足以抵挡周围的分子震荡。这也正是这些化学物质在我们周围的环境中

    很常见的原因。正是因为它们的分子无视环境中的分子冲撞，所以才能

    大体上保持稳定。 [22]

    用灰色小点代表的反应物分子能够被转化为用黑色小点代表的产物分子，但它们首先需要攀上一个能量壁垒。冷的分子很少能有足够的能量来完成攀登，但热的分子

    可以轻易爬上顶峰。

    图2-1 化学反应的形象化

    然而，即使是稳定的分子，一旦获得足够的能量，也可以被分解。

    能量获得有多种途径，其中之一是获得更多的热量(热量可以使分子加

    速)。加热一种化学物质最终将使其化学键断裂。这也是我们在烹调大

    多数食物时需要加热的原因：热量加速了使食材(反应物)转化为更加

    鲜美的食物(产物)的化学反应。

    热量如何加速化学反应？一种方便的视觉化解释是将反应物分子想

    象为一个横置的沙漏中躺在左边空间的沙粒(见图2-2a)。如果置之不

    理，全部的沙子将一直待在初始的位置，因为它们没有获得足够的能量

    来越过沙漏颈部，达到代表产物的右边空间。在一次化学过程中，反应

    物分子可以通过受热来获得足够的能量，从而使自己更快地运动和振动

    ，并使其中的某些分子获得足够的能量转化成产物。我们简单地将其设

    想为摇晃沙漏，那么一些沙粒将被抛进右边的空间，从反应物变为产物

    (见图2-2b)。

    但是还有另外一种使反应物变为产物的方法，即降低反应物需要翻

    越的能量壁垒。这正是催化剂的工作。催化剂就像使沙漏的颈部变得更

    宽一样，只要有一点点的热搅动，左边的沙粒就能够流向右边(见图2-

    2c)。由于催化剂能改变反应中的能量壁垒，比起没有催化剂时，底物

    变为产物的反应速度便极大地加快了。图2-2? 改变能量壁垒

    我们可以通过先考虑在没有胶原蛋白酶时，胶原蛋白分子极其缓慢

    的分解过程，来从分子层面说明催化剂的工作原理(见图2-3)。正如

    前文所说，胶原蛋白是一串氨基酸，每一个氨基酸通过碳原子与氮原子

    间的肽键(在图2-3中以C与N之间的粗线表示)与下一个氨基酸相连。

    肽键仅仅是分子内能将原子结为一体的几种化学键之一。它的本质是一

    对由碳氮原子共享的电子。这对由碳氮原子共享的带有负电荷的电子会

    吸引肽键两端带有正电的原子核，因此，就像一种电力粘胶一样将肽键

    两端的原子结合在一起。这类化学键也被称为共价键。

    肽键很稳定，因为通过迫使共用电子对分离使肽键断裂需要很高的

    “活化能”(activation energy)：化学键必须要爬上一个很高的能量壁垒

    才能抵达反应中“沙漏的颈部”。在实际反应中，化学键通常并不是依靠

    自身的力量断开的，而是在一个被称为“水化”(hydrolysis)的过程中借

    助了周围水分子的一臂之力。要想使水化发生，首先，水分子必须足够

    靠近肽键，向肽键中的碳原子贡献出自己的一个电子，形成一个能拴住

    水分子的相对微弱的新键，该键在图2-3中用虚线表示。这个不稳定的

    中间阶段称为“过渡态”(也是“过渡态理论”的来源)，表示使旧键断裂所需能量壁垒的顶峰，即图2-2中沙漏的颈部。注意，在图2-3中，有水

    分子贡献的电子一路向下转移到了与肽键相邻的氧原子，氧原子由于多

    了一个电子而带有一个单位的负电荷，用“-”表示。与此同时，在过渡

    态中贡献出一个电子的水分子此刻整体带一个正电荷。

    整个过程从此处开始变得稍微有点难理解了。想象一下，这个水分

    子之所以带正电并不是因为它失去了一个电子，而是因为它包含了一个

    裸露的氢原子核，或者说一个质子(在图2-3中以“+”表示)。水分子中

    这个带正电的质子不再紧密地结合在原来的位置，而是像第1章讨论的

    量子力学的观点那样，变得“离域”(delocalized)。虽然它在大多数时

    间里依然在水分子中(见图2-3b中左边的结构)，但有时它可能在更远

    的地方被发现，更靠近处于肽键另一端的氮原子(图2-3b中右边的结构)。处于这个位置时，漫游的质子可以将肽键中的一个电子拖拽出其原

    来的位置，从而使肽键断裂。

    胶原蛋白之类的蛋白质由氨基酸链组成，而氨基酸链又由碳(C)

    、氮(N)、氧(O)、氢(H)等原子组成，并通过肽键连接(见a)。图中的肽键用粗线表示。肽键可以被一个水分子(H2 O)水化，从而

    使肽键断裂(见c)。但在断裂之前必须要先经过不稳定的过渡态，此过渡态理论

    transition state theory

    酶通过使过渡态更加稳定来

    加速像肽键断裂之类的化学

    过程，从而提高形成最终产

    物的概率。

    状态至少包括两种可以互相转化的不同结构(见b)。

    图2-3 胶原蛋白分解示意图

    但图2-3展现的情况通常并不会发生。原因在于像图2-3b中展示的过

    渡态是非常短暂的，即使非常轻微的推搡碰撞也能使其脱离这种状态。

    比如，由水分子提供的带负电的电子可以轻易地回到水分子中，使初始

    反应物变回原形(由图2-3中的粗箭头表示)。比起先前描述的使肽键

    断裂的反应，出现这个情景的概率要大得多。因此，肽键通常不会断裂。实际上，在非酸非碱的中性溶液中，要让一个蛋白质分子中一半的肽

    键断裂所需的时间，也就是该反应的半衰期，要超过500年。

    当然，这都是在没有酶的情况下出

    现的状态。我们这就来讨论酶是如何参

    与水化作用来帮忙的。根据过渡态理论

    ，催化剂通过使过渡态更加稳定来加速

    像肽键断裂之类的化学过程，从而提高

    形成最终产物的概率。该过程可以通过

    几种不同的方法来实现。比如，一个带

    正电的金属原子靠近化学键后，可以中

    和过渡态中带负电的氧原子，使之稳定

    下来。因为这样一来，氧原子就不用着

    急将水分子提供的电子给回去了。通过

    使过渡态稳定下来，催化剂就像将沙漏的颈部变宽一样，助反应一臂之

    力。

    酶加速了所有其他生命必需的反应。现在，我们需要考虑，这个用

    沙漏来类比的过渡态理论是否也可以用来解释酶的行为。一场精心编排的分子舞蹈

    玛丽·施魏策尔用来分解古老的霸王龙胶原蛋白纤维所用的酶与杰

    尔姆·格罗斯在青蛙体内发现的酶是同一种。你应该记得，这种酶可以

    用来分解蝌蚪的细胞外基质以便蝌蚪的组织、细胞和生物大分子可以被

    重新组装形成成年的青蛙。胶原蛋白酶在恐龙内具有完全相同的功能，而且时至今日，依然在我们体内扮演着同样的角色：在发育期间和受伤

    以后，分解胶原蛋白纤维来保障主体的生长和组织的重塑。

    为了能够实际观察该酶促反应，我们将从理查德·费曼的著名演讲

    中借用一个想法，该演讲可以说改变了科学的走向。1959年，费曼在美

    国加州理工大学向观众发表了题为“别有洞天在深处”(There’s Plenty of

    Room at the Bottom)的主题演讲，该演讲被广泛地视为纳米技术领域的

    思想基础。纳米技术即在原子和分子层面上展开工程的技术。据说，费

    曼的想法还启发了1966年的科幻电影《神奇旅程》(Fantastic Voyage)。在这部电影中，一艘潜艇及艇上的船员都缩到足够小，然后被注入

    一位科学家的体内，他们的任务是发现并清除这名科学家脑部有致命危

    险的血栓。为了探究胶原蛋白酶的工作原理，我们将在想象中乘着纳米

    潜艇踏上征程，旅途的目的地是蝌蚪的尾巴。

    首先，我们必须先找到一些蝌蚪。在当地的一个池塘里，我们发现

    了一窝蛙卵，然后，我们小心翼翼地捧起这一掬果冻一样的、带着黑点

    的小球体，将它们移到一个玻璃水箱中。没过多久我们就可以观察到蛙

    卵内的蠕动，几天之内，小蝌蚪就从卵中孵出来了。我们对放大镜下小

    蝌蚪的主要特征进行了快速记录：相对很大的脑袋上有一张小嘴；嘴上

    有个鼻头；眼睛长在两侧；又长又壮的尾鳍前是一对羽状的鳃。之后，我们给蝌蚪提供充足的食物(藻类)，并且每天进行观察。

    我们发现，在开始的几周里，蝌蚪的形态变化可谓微乎其微，但其长度与体围的增长速度之快却令人震惊。到了大约第八周的时候，我们

    注意到蝌蚪的鳃逐渐缩回体内，并显露出前肢的痕迹。再过两周，蝌蚪

    的后肢开始从健硕的尾巴根部长出。在这个阶段，我们必须进行更加频

    繁的观察，因为蝌蚪变态发育的变化速度似乎正在加速。之后，蝌蚪的

    鳃与鳃囊完全消失，它的眼睛也转移到头部更高的地方。在蝌蚪的前端

    发生着巨大变化的同时，它的尾巴开始萎缩。这正是我们一直等待的线

    索：从此刻起，我们将登上纳米潜艇，驶入水箱，去探索大自然最非凡

    的变化。

    随着我们的潜艇越变越小，我们可以看到青蛙变态发育的更多细节。比如，蝌蚪的皮肤发生了巨大的变化，变得更厚、更韧，还嵌着分泌

    黏液的腺体，以保证它在离开池塘，跃上陆地后能够保持皮肤的湿润和

    柔软。我们潜入其中一个腺体，由此可以穿越蝌蚪的皮肤。在通过数层

    细胞壁垒之后，我们来到了蝌蚪的循环系统。

    顺着蝌蚪的静脉和动脉航行，我们可以从内部观察到发生在其身体

    里面的变化。由囊状物开始，蝌蚪的肺逐渐形成、扩张并充满空气。蝌

    蚪适合消化藻类的长而盘旋的肠道也变直，成为典型的捕食者肠道。随

    着软骨被骨骼所取代，其半透明的软骨骨架，包括脊索(从头到尾支撑

    蝌蚪原始形态的脊柱)变得致密且不再透明。我们继续征程，顺着正在

    发育的脊索来到蝌蚪的尾部，此时，蝌蚪吸收尾巴用于变身为青蛙的过

    程才刚刚开始。在如此小的尺度下，我们可以看到带有横向纹理的厚厚

    的肌肉纤维组成了尾巴的模样。

    我们进一步缩小自己的身体，以便进行更精细的观察。缩小的身体

    让我们得以看到每条肌肉纤维是由许多长条的圆柱状细胞组成的，正是

    这些圆柱状细胞的节律性收缩为蝌蚪的游动提供了动力。围绕这些肌肉

    圆柱的是一张由多筋的“绳索”织成的致密网络，这正是我们的调查目标

    ——细胞外基质。基质本身似乎正处于溶解的状态，因为单一的“绳索”正在解开，将固定在其中的肌肉细胞释放出来，使这些自由之身得以加

    入到规模不断扩大的细胞迁徙中去。这次细胞的迁徙之旅，起点是正在

    消失的蝌蚪尾部，终点是不断形成的青蛙躯体。

    再次缩小，我们停在正在分解的细胞外基质上正在散开的一根“绳

    索”上。随着散开时其周长不断扩大，我们看到，就像一根真的绳子一

    样，这条“绳索”其实是由数千条单独的蛋白质线织成的，而每条蛋白质

    线本身又是一束胶原蛋白纤维。每条胶原蛋白纤维又由三股胶原蛋白线

    绕成。正如我们之前在讨论恐龙骨骼时所用的比喻一样，这些胶原蛋白

    线就像是一串氨基酸“念珠”，但同时又互相缠绕在一起，组成更加坚韧

    的螺旋线结构，有点像DNA的双螺旋结构，但胶原蛋白线是三螺旋结构。在这里，我们终于发现了这次探险的目标猎物：一个胶原蛋白酶分子。这个分子像蛤蜊一样的结构夹在一条胶原蛋白纤维上，顺着纤维滑下

    ，在剪断连接氨基酸“念珠”的肽键之前，先散开了紧密缠绕的三螺旋结

    构。这条可能会稳定存在数百万年的链条就在瞬间被破坏了。现在让我

    们把视角放到更大，看看剪断肽键的动作究竟是如何完成的。

    这次缩小将我们变到了分子的级别，大小只有几纳米。很难说明这

    个尺寸到底有多小，所以，为了能让读者有一个更清晰的概念，不妨想

    想下面这个字母“o”：如果把你从通常的大小缩小到纳米级，那么对你

    来说，这个字母“o”大约就是整个美国那么大了。在如此小的尺寸下，我们可以清晰地看到细胞内部紧密排列的水分子、金属离子 [23]

    ，还有

    大量不同种类的生物大分子(其中包括许多形状奇特的氨基酸分子)。

    这个繁忙而拥挤的分子池塘处于持续的搅动和扰动中，其中的分子像第

    1章中所描述的台球运动一样，不停地旋转、振动、互相碰撞。

    在所有这些随机而混乱的分子活动中，形如蛤蜊的酶以一种十分奇

    特的方式运动，顺着胶原蛋白纤维滑下。在纳米级，我们可以将视野聚

    焦在沿着胶原蛋白链运动的单个酶上。一眼看去，酶的整体形态满是疙瘩，并没有一定的晶体秩序，像是东拼西凑的组装体，给人一种杂乱无

    章的错觉。其实，像所有的酶一样，胶原蛋白酶有精确的结构，分子中

    的每个原子都占据着一个特别的位置。与周围分子的随机碰撞形成鲜明

    对比，胶原蛋白酶正跳着华丽而精确的分子舞蹈。它将自己缠绕在胶原

    蛋白纤维上，解开纤维的螺旋状结，精确地剪开在链条中连接氨基酸的

    肽键，之后 ......