揭秘生命中的量子魔法

来自量子世界的魔法

酶参与了每一个活着或死去的细胞中的每一个生物分子的合成与分解。与其他生命要素一样，酶之于生命，生死攸关。有的酶，或者说可能所有的酶，其工作原理是使处于空间中某一点的粒子去物质化，然后几乎同时在空间中的另一点重新物质化。这一发现为我们探寻生命之谜提供了全新的视角。虽然还有许多与酶相关的未解之谜（比如蛋白质的运动所起的作用）有待我们进一步理解，但量子隧穿在其中扮演的角色不言自明。

尽管如此，我们也应该说明，许多科学家对此做出了批评。这些科学家虽然接受克林曼、斯克鲁顿等科学家的研究发现，但认为量子效应之于生物学，就像其在蒸汽火车中的角色一样，并没有什么实质作用：是的，这些现象确实存在，但是量子效应对于我们理解蒸汽机车或是生物系统的工作原理基本上没有什么帮助。酶的进化是否让酶得以从隧穿之类的量子现象中获益呢——这些科学家经常参与此类论战。批评者们争辩道，考虑到大多数生物分子反应发生在原子级别，那么，生物过程中存在量子现象只不过是稀松平常的事情。在一定程度上讲，他们是对的。量子隧穿并不是魔法：自宇宙诞生以来，量子隧穿就一直发生着。它当然不是生命“发明”的什么把戏。但我们想强调的是，量子现象发生在活细胞中热、湿、乱的环境下，这让酶活动中的量子现象变得不再简单，而且绝非是“在所难免”的偶然。

还记得吗？活细胞里可是热闹非凡，各类复杂的分子在这里摩肩接踵，处于一种持续的激荡与扰动中。在上一章中，我们已经知道，像台球一样的分子运动，最终将蒸汽机车推上了山顶，而活细胞内的分子运动便与之类似。如果你还记得，那你要知道，正是这种随机运动破坏了精细的量子相干性，让我们周围的世界变得“正常”。普遍认为，量子相干性在分子涡流中难以存在，因此，在分子激荡得像海一样波澜壮阔的活细胞内，能够发现诸如量子隧穿一样的量子效应，可谓非常意外。

要知道，就在大约十年之前，绝大多数科学家还认为“量子隧穿和其他精细的量子现象会出现在生物学界”的想法不值一哂。事实胜于雄辩，量子现象确实出现在生物界中，而生命采取了非常行动来利用量子世界提供的特殊优势，以便其细胞正常运作。但这些“非常行动”是什么？生命如何限制了量子行为的宿敌——退相干？这是量子生物学中最大谜题。不过，谜底正在缓慢解开，我们将在结语中揭晓答案。(www.xing528.com)

但在继续推进之前，我们得先回到我们停泊纳米潜艇的地方：蝌蚪正在消失的尾巴中胶原蛋白酶的活化点。当酶的“大颚”重新张开时，我们快速地退出了活化点，让断掉的胶原蛋白链（和我们！）重获自由，使状如蛤蜊的酶能够继续剪断胶原蛋白链上的下一个肽键。之后，我们在蝌蚪身体的其他部位进行了短暂的巡航，观察了一些其他酶秩序井然的活动，这些酶对于生命同样生死攸关。跟随着转移的细胞，我们从不断缩短的尾巴来到了不断发育的后肢，看到新的胶原蛋白纤维，像新铺的铁轨一样，正在这里生长，支持着成年青蛙的身体发育，而这些胶原蛋白的来源多是从消失的尾巴那里迁徙过来的细胞。此处的酶捕捉到由胶原蛋白酶分解释放的氨基酸亚结构，将它们重新组装在一起，形成新的胶原蛋白纤维。虽然我们没有足够的时间深入到这些酶中一探究竟，但可以想象，在这些酶的活化点中，像胶原蛋白酶内那样精心编排的“舞蹈”正在上演，只不过这次发生的是逆反应罢了。

在身体的其他部位，不同的酶正在忙碌地合成与分解支持生命的其他生物大分子——脂肪、DNA、氨基酸、蛋白质和糖。此外，青蛙发育过程中的每一个步骤都有不同的酶来协调参与。比如，当青蛙发现了一只苍蝇，来自眼睛的神经信号在传达到大脑的过程中就由一组神经递质酶来协调。当青蛙猛地伸舌粘住苍蝇，肌肉的收缩要靠另一种叫作肌凝蛋白的酶，该酶大量涌入肌肉细胞，引起肌肉细胞收缩。当苍蝇被青蛙吞入胃中后，青蛙会释放一系列的酶来加速其消化，将苍蝇的营养成分水解，以便自身吸收。此外，还有许多其他的酶会将吸收的营养素转变为青蛙的组织，或是利用这些营养，通过细胞线粒体内的呼吸酶发挥作用为青蛙供能。

酶是生命的引擎。青蛙和其他所有生物的每一项生命活动，维系所有生物和人类生命的每一个过程，无一不由酶来加速。酶可以精确操纵基本粒子的运动，并能借此深入到量子世界中利用其奇异的法则。这一切共同铸就了酶非凡的催化能力。

但量子力学给生命的馈赠可不仅仅只有量子隧穿。在下一章中，我们会发现，在生物界最重要的化学反应中，同样有来自量子世界的魔法。