神秘的量子生命

　　在整个科学领域，量子力学是很有影响力的重要理论。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：首先是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则；接下来是热力学世界，遵循热力学法则；然后是量子世界，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准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！

　　吉姆·艾尔—哈利利英国萨里大学物理学教授，理论物理学家，量子生物学家。1989年，在英国萨里大学获得核反应理论博士学位。之后，在伦敦大学学院做了两年博士后项目的研究。1992年被萨里大学聘为讲师。2000年，被聘为英国物理学会会士。2005年，晋升为萨里大学物理学教授。截至目前，他在核物理、量子力学和量子生物学等领域发表了100多篇论文。2007年，凭借“对科学的贡献”获得大英帝国勋章；2018年，当选英国皇/家学会会士。从20世纪90年代末开始，艾尔-哈利利的研究领域转向量子生物学。他与量子生物学家约翰乔麦克法登联合发表了多篇量子生物学方面的文章。并且，两人在英国工程和自然科学委员会的资助下，共同组织了量子生物学国际研讨会。约翰乔·麦克法登英国萨里大学分子遗传学教授，物理学家，量子生物学家。1982年获得帝国理工学院生物化学博士学位。发表科学论文超过100篇。

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
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
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”。
神奇的生命
活力论
机械论
生命科学新发现
量子力学，物理学的一场革命
量子生物学的兴起
来自有序的有序
生命是量子的
02     酶是生命的引擎
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
蝌蚪的尾巴哪去了
 
一场精心编排的分子舞蹈
呼吸酶与呼吸作用
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
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
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。
异常灵敏的嗅觉
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，臭鸡蛋味儿的分子振动频率是78太赫兹
鼻子之争
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
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
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。
遗失的世界
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
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
离子通道
08     生命的起源
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。
    米勒-尤里实验
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
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
        寻找生命的原动力
    风暴边缘上的生命
    量子生物学的力量
从头开始制造生命
    理解生命，创造生命
后记：量子生命
译者后记