中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物學的澎湃
引言 沒有量子力學，就不會有生命／001
在整個科學領域,量子力學是最具影響力的重要 理論。沒有量子力學,我們就無法解釋世界是如 何運轉的,比如:知更鳥長途遷徙時是如何通過 微弱的地球磁場感知方嚮的?小醜魚是如何找到 迴傢之路的?光閤作用中能量的傳遞效率為什麼 那麼高?對所有這些問題的解答,都離不開量子 力學,離不開量子隧穿、量子相乾性和量子糾纏。
動物大遷徙
萬物背後的量子真相
知更鳥是如何感知方嚮的
形形色色的量子現象
第一部分 生命科學的前世今生
01 生命是什麼／029
在很長一段時間裏,人們認為生命體與非生命 體的主要區彆在於生命體內有一種特殊的“生命力”。後來,活力論漸漸讓位於機械論。但 是,生命中仍有許許多多的待解之謎。盡管剋雷 格·文特爾成就非凡,他仍不能從零開始創造齣 生命,而最低級的微生物卻可以毫不費力地創造 生命。薛定諤認為,生命是量子的,生命的秩序 屬於“來自有序的有序”。
活力論
機械論
量子生物學的興起
生命是量子的
02 酶是生命的引擎／067
酶是生命的引擎。所有的生命都依賴酶。我們體 內的每一個細胞中都填充著數百甚至數韆個這樣 的分子機器,無時無刻不在“幫助”細胞組裝和 迴收利用生物分子,使之持續不停地運轉下去。 這個過程,就是我們所說的“活著”。
生死有關的酶
一場精心編排的分子舞蹈
量子思維，認識酶的關鍵
來自量子世界的魔法
第二部分 量子世界中的生命
03 光閤作用中的量子節拍／113
光閤作用中能量從光子到反應中心的傳遞效率算 得上是最高的,因為傳遞效率幾乎是 100%。在 理想情況下,幾乎所有葉綠素分子吸收的能量都 可以到達反應中心。如果能量不是取道最短進行傳遞,大部分乃至全部能量都會在傳遞中殆盡。 光閤作用的能量為何能如此擅長尋找捷徑,一直 以來都是生物學領域的一大謎題。
雙縫實驗，切中量子力學的內涵
脆弱的量子相乾性
神奇的葉綠素
光閤作用中的量子計算機
04 小醜魚“聞齣”迴傢之路／149
氣味分子或溶解在唾液中,或飄散在空氣中,被 位於舌頭或鼻腔頂部嗅覺上皮的感受器截獲,嗅 覺就此産生。“鎖鑰模型”認為,氣味分子嵌入 嗅覺感受器就如同鑰匙插進瞭鑰匙孔。氣味與分 子振動頻率緊密相關,臭雞蛋的味道是 78 太赫! 對於振動頻率相同而氣味卻大不相同的個彆現 象,“刷卡模型”給齣瞭完美解釋。量子力學中 的非彈性電子隧穿,是嗅覺産生的關鍵。
我們是如何聞齣味道的
形狀模型，一把鑰匙開一把鎖
振動模型，臭雞蛋味道是78太赫！
刷卡模型，嗅覺的量子計算
05 帝王蝶與知更鳥的地磁方嚮感／187
加拿大和墨西哥之間的帝王蝶以及北歐和北非之間的知更鳥,它們的遷徙究竟是依靠什麼導航的呢?研究發現,觸角中的隱花色素校準瞭體內的生物鍾,讓帝王蝶在從加拿大飛往墨西哥的路上不會迷路。知更鳥的地磁感受器是一種磁傾角羅盤,能通過化學反應感受微弱的地磁。自鏇單和三重態之間微妙的平衡性,讓鳥類可以利用地磁實現導航。
帝王蝶蝶遷徙之謎
知更鳥的指南針
量子自鏇與幽靈般的超距作用
自由基和方嚮感
06 量子基因／221
DNA 復製的錯誤率往往小於十億分之一,極高的 復製精度,得以讓生命一代一代傳下去。但是, 如果遺傳密碼的復製過程一直完美無缺,生命便 不可能進化,也不能應對種種挑戰。復製過程的 少許錯誤,能讓子代更好地適應環境並繁盛起來。 基因非常小,一定會受到量子規則的影響。但量 子力學是否在基因突變中扮演瞭重要而直接的角色,還是一個待解之謎。
遺傳，高精度的復製
突變，美麗的錯誤
基因編碼
基因突變是量子躍遷嗎
07 心智之謎／259
關於心智、意識究竟是如何工作的,目前被廣泛 接受的理論是心智計算理論。如果一颱量子計算 機能夠維持 300 個量子位的相乾性和糾纏態,它 的計算能力幾乎相當於一颱整個宇宙那麼大的 經典計算機! 2011 年,我國科學傢僅用 4 個以 原子自鏇狀態作為編碼的量子位就成功對 143 (13×11)完成瞭因數分解,居於世界領先水平。
意識是什麼
思想是如何産生的
人腦就是量子計算機
微管理論
08 生命的起源／297
弗雷德·霍伊爾說過,隨機化學過程創造齣生命 的概率,就像龍捲風吹過垃圾場,然後純屬意外 地造齣瞭一架大型客機。他的話生動形象地說明, 我們今天所知的細胞生命體太過復雜有序,不可 能起源於純粹的偶然,在此之前一定有更簡單的 自復製體。量子相乾性一定在生命起源中扮演瞭重要角色。
生命不是偶然的
RNA世界假說
沒有量子力學，就不會有生命
量子相乾性，生命起源中的重要角色
結語 我們一定能創造齣遵循量子理論的新生命/323
人造生命一定要遵循量子理論,因為沒有量子力 學,就不會有生命。費曼說過:“凡是我做不齣 來的,就是我還不理解的。”如果有一天,人造 生命真的成為現實,那將意味著我們終於理解瞭 生命的本質。我們將會看到:生命正駕馭著混沌 之力,在經典世界與量子世界之間狹窄的邊緣上, 乘風前行!
量子生物學的新發現
風暴邊緣的生命
量子生物學的力量
理解生命，創造生命
後記：量子生命／361
譯者後記／365
· · · · · · (收起)