神秘的量子力学与生命

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。(www.xing528.com)

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？