神秘的量子生命
媲美薛定谔《生命是什么》，量子生物学奠基之作！
北京大学生命科学学院教授动物磁感应受体基因和“生物指南针”发现者倾情推荐。
《纽约时报》畅销书；《经济学人》《金融时报》年度好书；英国皇家学会温顿奖获奖图书。
湛庐文化出品
生命的未来
这是一本详细论述生命科学的基本原理的杰出著作，全景展示了分子生物学的历史沿革和未来发展方向。更重要的是，读者可以从中了解当今科学跨学科的融合：物理、化学、生物学以及天文学之间密不可分的关系。
21世纪，是生命科学大发展的时代，下一次科技产业革命必将发生在生命科学领域！人类正在经历一个重大转折点，本书讲述的就是“奇点”到来之时DNA信息和计算机如何有机结合的有趣故事，不但震撼力十足，也极具说服力。人类进化一旦经过“奇点”，生命、社会以及我们关心的一切，都可能有令人震惊的事情发生。
中国科学院北京基因组研究所研究员、中国科学院精准基因组医学重点实验室主任曾长青、著名科幻小说作家 畅销书《三体》作者刘慈欣，果壳网、在行创始人姬十三，中国科学院大学人文学院科学传播教授李大光，“社会生物学之父”爱德华·威尔逊，奇点大学校长 《人工智能的未来》作者，雷·库兹韦尔 畅销书《从0到1》作者彼得·蒂尔联袂推荐
湛庐文化出品。
神秘的量子生命
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，di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。zui深的第三层是量子世界。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!
生命的未来
70年前，诺贝尔物理学奖得主薛定谔提出了著名的“薛定谔之问”——生命是什么。70年后，“人造生命之父”克雷格•文特尔通过合成di一个“人造细胞”的方式给出了zui完美的解答。
从解码生命、开创全基因组霰弹测序法到合成噬菌体phi X174，从合成di一个完整的基因组，到把一个物种转变为另一个物种，zui终到合成di一个人造细胞，文特尔和他的团队完成了一个又一个“不可能完成的任务”，他们在某种意义上，“扮演了上帝的角色”。
假设火星上的生命与地球上的生命都是基于 DNA 的, 假设火星有生命或者曾经有过生命,假设火星上有一 个基因测序设备,可以读取任何有可能存在于那里的“火星人”的 DNA 序列,那么,只需要 4.3 分钟把“火星人” 的基因序列发送回地球,我们就可以在地球上的实验室里重造“火星人”！生命的未来值得我们每一个人期待，不是吗？
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？
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
读到《神秘的量子生命》书稿时，恰逢我在青海的旅途中，环顾四野，在茫然中辨识前路。想起年少时对候鸟迁徙的惊奇与困惑，想起我们这几年在寻找动物磁受体和生物导航机理研究中难于言说的彷徨和狂喜，书中描述的很多场景，和旅途中的一些思考在不停地重叠着，那种愉悦很难言表。这本书中的很多问题，同样是科学家们长久以来困惑和思考的问题。我想，包括我们在内的各领域的科学家正在一步步地逼近真相。《神秘的量子生命》将带我们从一个不常被人涉足的方向切入生物学的一些基本的问题，用科学揭开自然的迷雾，告诉我们生物学背后的量子真相。翻开这本书，正如走进青藏高原：那种简单的美扑面而来！
——谢灿
生命科学学院教授，动物磁感应受体基因和“生物指南针”发现者
《神秘的量子生命》对生命中的量子现象给出了清晰的解释。量子世界中的微观事件，可以影响中等尺度生命体的世界，比如生活中的你、我、他。两位作者以活泼明晰的笔触告诉我们，神秘的量子现象无处不在。
——菲利普•普尔曼
英国著名作家
畅销书“黑暗物质三部曲”作者
对于这样一个重要的新领域，作者的解读如此深入浅出、通俗易懂，真是太赞了！
——安东尼•格雷林
英国著名哲学家
畅销书《维特根斯坦与哲学》《友谊》作者
《神秘的量子生命》是一本引人入胜、让人深思的惊世之作，它把坚实的科学理论、合理的推断和巧妙的推测紧密结合在一起，使得我们对生命世界的认识发生了革命性改变。
——《华尔街日报》
一本地地道道的原创科普书，一个全新的研究领域，本书堪称了不起的作品。
——《金融时报》
作者选择相干性这一复杂现象作为切入点，引领我们深入量子世界的神秘地带。他们用类比和比喻方法，把一些难于理解的概念解读得生动而又形象。
——《经济学人》
物理学家艾尔－哈利利和生物学家麦克法登，把这样一个深奥的问题解读得既条理清晰又津津有味。
——《自然》