王大虎

王大虎:生命中的量子力学效应

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人们一般都不会把量子世界与生命世界联系起来,不过很多研究证明,量子一直参与并左右着生命世界。从生命诞生的必然角度分析,生命一开始就是一个量子事件,生物体是个量子集合,人体有7×1027个原子组成,其中大部分的质量都集中在原子核上,如果原子核是葡萄(20毫米)大小,那么整个原子的范围应该在200米左右。从微观角度讲,人体大部分空间正是电磁场。我们应该更多从量子角度审视生命。

生命活动中量子效应广泛存在,从植物的光合作用到鱼类,鸟儿对电磁方向的感知,包括人类的大脑活动,都有量子的参与。目前很多国家及科学家投入到量子在生命中如何参与的研究中。

通常来说,量子效应通常只在分子,原子级别层级被观察到,或者多分子在极端环境下比如高真空,超低温和严格控制程序的实验室中表现出量子效应。而生命世界因为处于温暖、X、混乱的宏观世界中而无法表现出量子性。但越来越多的实验证明,量子现象恰恰是生命的主要活力机制所在与内在的驱动力。比如有科学家研究发现量子“相干性”(在量子层级里,整个系统每个部分的波型保持一致)在细胞混乱的生命体内,响应时间不超过1微秒。现在下面举几个例子:

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近日,哈佛大学维斯生物工程研究所的一X研究人员尝试将一本大约有5.34万个单词的书籍编码到不到一沙克(亿万分之一克)的DNA微芯片中,连同文字一起的还有11张图片和一段Java程序。这是迄今为止人类使用DNA遗传物质储存数据量最大的一次实验,“今后,拇指大小的设备就能存下整个互联网的信息”。该项目首席研究员、哈佛大学遗传学家乔治·丘奇(George Church)说。这项实验被刊登在《科学》期刊上。

从二进制到碱基对编码DNA是生物数据库,它的主要功能就是存储包含各种指令的生物信息。DNA有G(鸟嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)四种碱基,共同构成了相互缠绕的双链阶梯状的螺旋结构。通过这四种碱基不同顺序的编码,存储了生物所有的遗传信息。1克DNA即能储存上千亿个千兆字节,相当于1000亿张DVD光盘的内容。

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细胞内的酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。有一些酶它们的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率,这种现象无法用目前公认的理论来解释。有多种理论模型被提出来解释这类现象。一种理论模型引入了基于量子理论的穿隧效应,即质子或电子可以穿过激活能垒(就如同穿过隧道一般)。有报道发现色胺中质子存在量子穿隧效应,因此,有研究者相信在酶催化中也存在着穿隧效应,可以直接穿过反应能垒,而不是像传统理论模型的方式通过降低能垒达到催化效果。

美国明尼苏达大学研究人员最近拍摄到电子在细胞蛋白质中移动的分子图像。电子在细胞内移动产生的能量是生物体生存的基本能量来源之一,由此产生的能量被人体用来生成蛋白质、脱氧核糖核酸等复杂分子。这些复杂分子是促进生物体生长、维持生命和储存能量的基石。伊恩·威尔莫特等人利用X射线晶体技术获得的图像将加深对这一过程的理解。

生物体在诞生及进化过程中利用电流的历史久远,微生物学家德里克·洛维利、物理学家马克·托米勒在《自然·纳米技术》发表文章指出,他们首次发现,硫还原泥土杆菌体内的微生物纳米线(菌丝网)能长距离地传导电子。穿越这种杆菌生物膜的菌丝网由数十亿个细胞内聚而成,这些丝网让其生物膜具有了与广泛应用于电子工业的人造导电聚合物相媲美的导电性。科学家们称,这是他们首次观察到电荷沿着蛋白微丝传导,以前科学家们认为,这样的传导需要细胞色素蛋白质的参与,细胞色素让电子进行短距离“旅行”。而最新研究表明,这种细菌的蛋白微丝就像真正的金属导线一样,即便没有细胞色素,电子也能进行“长途旅行”。

英国东英吉利亚大学和美国西北太平洋国家实验室的科研人员,对一种生存在无氧环境中的沙雷菌进行了研究,结果发现其能通过纳米线将电子运送到体内的氧化铁(其对该细菌的作用就像氧气对人一样)。该报告主要作者东英吉利亚大学的克拉克说:“我们应该可以利用这一发现,从细菌身上获取更多电力,一切有生命的物体都会发电,人类就是利用电能来维持心脏跳动和大脑思考。沙雷菌会利用它们的导线来释放过多的电力,如果它们出现电荷阻塞,一切就会停止”,而这包括进食和呼吸。”

该研究说明在细菌领域,获得能量的来源是多样性的,而不仅仅是像人类一样依靠氧气,在后面例子中会有很多不依靠氧气而生存的细菌。而这也恰恰说明量子在生物领域的重要作用。

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以上表明,有机生命世界,有其强大内在的量子规律,不为现代科学所知的强大的内在量子物理规律在决定生命的规则。在物理学部分,我们讲到多层聚合,聚合不仅仅是宇宙诞生的来源,也是银河系,太阳系,分子诞生的来源。现代科技也证明,分子级别的多层聚合,拥有很多神奇的效应,从细胞的结构,到有机分子官能团,从蛋白质结构,生物酶的结构,再到碳的多分子结构,包括现代试验室的低温分子的量子神奇效应。而多层聚合也恰恰是从物质的宇宙诞生到生命的意识诞生的贯穿,聚合也是生命形成的重要因素。

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