大虎说事

王大虎:量子生命演化的逻辑

王大虎

碳结构不同的有机生命与无机物质世界

 

生命与物质之间存在着病毒等中间体,人们不禁要问,是什么动力促使生命得以实现?物质与生命的界限在哪里?双缝实验与时间延迟实验里,介绍了量子感知与智慧选择性。很多相对实验证明,量子不仅仅有智慧选择,还有记忆性和协调性。

对于生命来说碳是必不可少的生命元素。碳在地球上储量丰富,碳不仅有丰富的有机化学合成物,而且因为碳元素之间组成结构不同,构成不同的无机物质。在无机碳物质里,碳因为结构不同可以成为脆弱顺滑的石墨,也可以变成世界最硬的钻石,也可以变成具有催化功能的富勒烯。

而在有机碳丰富的世界里,就拿氨基酸来说,因为不同的结构,相同分子的不同折叠,就会变形出不同的蛋白质结构(生命分子结构图见第九章九层宇宙部分),如构成人的皮肤、骨骼、血管、神经等。有机化合物主要由碳、氢和氧元素组成。构成人体需要的脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、酶、激素等。生命体内的新陈代谢和生物的遗传现象,都涉及到有机化合物的变化。目前人类已知的有机物达8000多万种,数量远远超过无机物。对人类生活、生产有极重要的意义。

有机化合物的碳原子的结合能力非常强,互相可以结合成碳链或碳环。碳原子数量可以是1~2个,也可以是几千个、几万个,许多有机高分子化合物甚至可以有几十万个碳原子。此外,有机化合物中同分异构现象非常普遍,这也是造成有机化合物众多的原因之一。碳原子可用共价键彼此连接生成多种结构,组成数量巨大的不同种类的有机分子骨架。

无机碳的物质世界:碳以多种同素异形体的形式存在,因为结构不同构成不同的物质,碳是钢铁的主要辅助元素,碳纤维是飞机的主要材料。

王大虎

碳因为结构不同充满神奇的不同功能:比如石墨、金刚石、富勒烯(也被称为巴基球)、石墨烯、无定形碳、碳纳米管、六方金刚石、碳纤维、碳气凝胶(密度极小的多孔结构,类似于熟知的硅气凝胶)碳纳米泡沫(蛛网状,有分形结构,密度是碳气凝胶的百分之一,有铁磁性)

碳纳米泡沫:

碳纳米泡沫呈蛛网状,具有分形结构,有铁磁性。泡沫由许多原子团簇构成,每个含有约4000个碳原子,直径约6~9纳米;其中很多原子团连在一起,形成了纤细的网。泡沫由团簇构成,似乎形成了石墨层,碳纳米泡沫的密度很低,与碳气凝胶很相似,但密度是它的百分之一;它是目前世上最轻的物质之一,密度约为2毫克每立方厘米,仅有海平面上空气密度的几分之一。

富勒烯:富勒烯是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成,以球状,椭圆状,或管状结构存在的物质,都可以被叫做富勒烯。

富勒烯C60分子是一种由60个碳原子构成的分子,它形似足球,因此又名足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子。富勒烯具有完美对称的足球结构,C60分子的电子能级简并度最高可达五重。C60具有很高的电负性,它能够接受电子而形成带负电子的阴离子。C60还容易发生电化学加氢反应。C60电极能够通过氢而发生电化学充电反应。勒烯可以作为一类新的催化剂材料的基础。在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金属原子,如铂、钯等,制成一类新的催化剂,在这种催化剂中,催化性原子被碳笼保护起来。这也是第一个发现的由一种材料的数个原子组成的团簇催化化学反应,因为催化剂通常只在很大质量下才起作用。

同时我们发现,类似碳C60组成的富勒烯,就像多层聚合宇宙里讲的,因为不同层级的聚合结构,就会产生不同寻常的物理学效果。

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王大虎

现代量子生命的三要素

 

2013年4月,乔治亚理工学院的王中林带领的一个团队,找到一种方式将这种压力发电的原理用于创造一种细微调整的电子触觉。压电效应指的是对晶体和其他固体材料施加机械压力时产生的某种电荷。王中林说道:“这种技术突破能够使机器人更像它们的创造者。当我们人类接触的火的时候,我们知道它是热的。而这项技术能够使机器人拥有人类的感觉,换句话说,就是使机器人更像人类。”

除了使机器人具备人类的敏感度和计算机的精密度之外,这项技术还能够被用于高精密度的修复学和“智能”生物医学治疗。这是一种智能材料,能够使物质产生感知,当然这种感知与人类的感知还是有区别的。那么在真实的生命与物质之间,界限到底是什么,那么我们可以从量子角度更多看待生命问题。

正如富勒烯的特性一样,不同的量子结构,就会产生不同的现象,量子具有很多神奇的效果。量子似乎是生命与物质的分界线,量子是一种从物质到生命的中间状态,宇宙演化中,从量子开始,一方面向物质演化,一方面向生命演化。

蛋白质病毒是一种奇怪的病毒,因为传统上认为,基因DNA或者RNA才是遗传物质,而蛋白质病毒能够复制,繁殖。我们会提出疑问,蛋白质在细胞与生物体中的作用是传统的定义吗。而近几年全球科学家们开始重新关注并热衷研究表观遗传学、表观遗传学的重点核心就是生物可以不通过DNA而在下一代进行遗传的现象。这会让我们提出质疑,就是在生命及遗传中谁是核心。

科学家在动物非X克隆中,掏空母体卵细胞中的DNA,然后注入克隆对象的体细胞DNA进行生长。这种克隆不能把DNA移植到普通去除DNA的细胞中。克隆说明生物成长环境需要的一个不仅仅是去除基因DNA的细胞,而需要一个特别的全息的母卵细胞蛋白质环境(细胞中除了DNA其他大部分是各种蛋白质物质)。同时科学家在克隆鱼的时候,借助另一种鱼的卵细胞进行克隆,克隆成活的鱼经常会同时体现出两种鱼类的外貌特征,这说明蛋白质在遗传中的作用可能被科学家们忽略了。遗传物质染色体除了关键的DNA外,染色体其实是核小体组成的,核小体就是有DNA按照非常精确的尺寸包裹着组蛋白质组成。

 

图042 乔治亚理工学院的研究人员研发的新技术能够直接将机械运动轻变成电子控制信号。(图片及参考资料来源:《电子触觉技术获得突破可使机器人更像人类》腾讯科学,2013年4月27日,图片来源乔治亚理工学院的王中林带领的研究团队)

染色体结构说明,蛋白质是DNA中的内层结构,应该在遗传记忆中占据更重要的位置。人类及动物大脑的记忆,很多时候与蛋白质有关系。那么我们会问,蛋白质,DNA是有机分子组成的,有机分子有量子组成,量子有没有记忆呢?答案是肯定的!

从物质角度讲,量子物质世界向生命世界演化,应该需要如下三个要素:

第一,物质系统感知能力与多量子协调能力。

第二,量子记忆能力。

第三,分子的自我组织性。

首先,系统感知力与多量子协调能力是生命需要的必要基础,因为只有物质在有整体感知,内部协调信息互通的情况下才能形成构成生命基础的第一步,感知与应激是生命的重要特征。而在物质向生命演化过程中,物质的整体感知力与内部多分子的协调能力至关重要。

其次,建立在客观量子纠缠基础上的物质的记忆特征,是物质得以复制,自我组装的驱动力。量子形成的物质,在适度环境下具备了生命的基础条件,当环境改变,就会形成一种进化特征。

最后,物质的自我组织性,是物质向生命演化繁殖的基本条件。而我们要探索物质的这几种特性就是为了证明物质与生命来源的一体化。

我们已经知道,氨基酸与有机分子从46亿年前的太阳系形成之前,就已经存在于太空中,在漫长的演化中,原始星云有机分子,一直保留在地球大气层中,或者彗星与小行星陨石当中,在地球形成开始,就有很多彗星与陨石不断飞向地球。

在地球形成漫长历史中,由于雷电,狂风,地球火山不断喷发,水从岩石中不断渗出。由于地球运动非常激烈,火山与包X水的泥浆混合喷涌,地球表面或者深处,大量有机分子与泥土混杂一起,有机分子具有聚合球形效应,很容易形成生命层级的自我感知系统。而且由于这些有机分子的纠缠与协调能力,使聚会一起的很多分子,在一个广泛的范围内形成一种协作能力,使光或者热能的吸收,能量分配,能够协调完成。一旦形成这种协调能力,量子物质就会记录下来,生命的形成不是有机分子单独完成的,而是多种有机分子团聚成自感系统并在量子记忆基础上多分子协调而成的,而分子组装本身就是量子的本性。

 

图043 染色体结构DNA以一长串复杂的线圈形式累积成染色体,DNA各线圈缠绕在若干组蛋白束上形成一“串珠”结构。这些线圈构成一个染色质链,然后染色质折叠成许多环,再卷曲形成一个染色体。

有机分子与无机化学的分子领域,有各种反应,各种的复杂性,而对于这些互相交错的反应,因为不同的环境,比如光的条件、电磁条件、温度条件、催化剂条件、时间效应等环境不同而不同。物质的量子与分子层面的团聚合属于物质的天性,也有其规律延续性,不同分子层面的组合,不同的分子叠加,就会屏蔽外部的干扰,使内部能够因为量子纠缠而协调起来。虽然以下证明只单独证明了粒子物质的感知力、协调力、记忆能力、与自组性。但是对于分子层面中,物质多层面的叠加聚和,和对于物质来讲其具有这几个方面的共性,就是感知协调力、记忆能力和自我组织性。这是物质本身具有的三个状态,在多分子叠加后就能够顺理成章地一体化了。

 

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