産品特色

編輯推薦

● 媲美薛定諤《生命是什麼》，量子生物學奠基之作！

● 北京大學生命科學學院教授動物磁感應受體基因和“生物指南針”發現者傾情推薦。

● 《紐約時報》暢銷書；《經濟學人》《金融時報》年度好書；英國皇傢學會溫頓奬獲奬圖書。

● 湛廬文化齣品。

內容簡介

● 在整個科學領域,量子力學是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。

● 酶促反應，光閤作用，嗅覺，鳥類的磁感應，基因的復製，心智之謎，生命的起源，這種種現象都與神秘的量子世界有關。物理世界有三個層次，一層是宏觀世界，遵循牛頓運動力學法則,第二層次是熱力學世界。遵循熱力學法則。第三層是量子世界。在這個維度裏,原子、分子以及組成它們的所有成分粒子都遵循精確而有序的量子規則。

● 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!

作者簡介

吉姆.艾爾—哈利利

● 英國薩裏大學物理學教授，具影響力的量子生物學傢。

● 1989年，在英國薩裏大學獲得核反應理論博士學位。

● 1992年，在英國工程和自然科學委員會的資助下，開始瞭為期五年的研究工作，他差不多每兩個月就發錶一篇論文，有些論文的引用次數超過500次。

● 從20世紀90年代末開始，研究領域轉嚮量子生物學，“量子隧穿”是他的研究重點。1999年，他與生物學傢約翰喬·麥剋法登聯閤發錶瞭量子生物學方麵的論文。2012年，在英國工程和自然科學委員會的資助下，他與約翰喬·麥剋法登共同主辦瞭量子生物學研討會，並獲得極大成功。2015年，他以量子生物學為主題做瞭TED演講。

● 2005—2007年，他參與拍攝BBC的紀錄片《愛因斯坦大腦之謎》和《原子》，廣受好評，他於2011年開始在BBC製作廣播節目《生命科學》，每周吸引的聽眾數量高達200萬。

約翰喬.麥剋法登：

● 英國薩裏大學分子遺傳學教授，著名量子生物學傢。

● 1982年獲得帝國理工學院生物化學博士學位。

● 發錶科學論文超過100篇。

精彩書評

讀到《神秘的量子生命》書稿時，恰逢我在青海的旅途中，環顧四野，在茫然中辨識前路。想起年少時對候鳥遷徙的驚奇與睏惑，想起我們這幾年在尋找動物磁受體和生物導航機理研究中難於言說的彷徨和狂喜，書中描述的很多場景，和旅途中的一些思考在不停地重疊著，那種愉悅很難言錶。這本書中的很多問題，同樣是科學傢們長久以來睏惑和思考的問題。我想，包括我們在內的各領域的科學傢正在一步步地逼近真相。《神秘的量子生命》將帶我們從一個不常被人涉足的方嚮切入生物學的一些基本的問題，用科學揭開自然的迷霧，告訴我們生物學背後的量子真相。翻開這本書，正如走進青藏高原：那種簡單的美撲麵而來！

——謝燦

生命科學學院教授，動物磁感應受體基因和“生物指南針”發現者

《神秘的量子生命》對生命中的量子現象給齣瞭清晰的解釋。量子世界中的微觀事件，可以影響中等尺度生命體的世界，比如生活中的你、我、他。兩位作者以活潑明晰的筆觸告訴我們，神秘的量子現象無處不在。

——菲利普?普爾曼

英國著名作傢

暢銷書“黑暗物質三部麯”作者

對於這樣一個重要的新領域，作者的解讀如此深入淺齣、通俗易懂，真是太贊瞭！

——安東尼?格雷林

英國著名哲學傢

暢銷書《維特根斯坦與哲學》《友誼》作者

《神秘的量子生命》是一本引人入勝、讓人深思的驚世之作，它把堅實的科學理論、閤理的推斷和巧妙的推測緊密結閤在一起，使得我們對生命世界的認識發生瞭革命性改變。

——《華爾街日報》

一本地地道道的原創科普書，一個全新的研究領域，本書堪稱瞭不起的作品。

——《金融時報》

作者選擇相乾性這一復雜現象作為切入點，引領我們深入量子世界的神秘地帶。他們用類比和比喻方法，把一些難於理解的概念解讀得生動而又形象。

——《經濟學人》

物理學傢艾爾－哈利利和生物學傢麥剋法登，把這樣一個深奧的問題解讀得既條理清晰又津津有味。

——《自然》

目錄

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

精彩書摘

小醜魚“聞齣”迴傢之路

在靠近菲律賓佛得島(Isla Verde)海岸的淺海中, 一隻劇毒的海葵錨靠在一叢珊瑚礁上。在海葵招搖的 觸須中,有一對橙白條紋相間的小魚。這種魚叫作公子 小醜魚(common clownfish),正式一點的名稱叫海葵 魚(anemonefish),學名是眼斑雙鋸魚或眼斑海葵魚 (Amphiprion ocellaris)。這對小魚中的其中一條是雌魚,它的一生比大多數脊索動物要有趣多,因為它曾經 並不是雌性。像所有的小醜魚一樣,它齣生時本是雄性, 從屬於這群小醜魚中唯一的雌魚。小醜魚有嚴格的社會 結構,一群小醜魚通常棲息在一隻海葵中,其中隻有一 條是雌魚。當這條小魚還是雄魚時,經過與其他雄性激 烈競爭,它最終占瞭上風,得到瞭與唯一的雌魚交配的 權利。後來,一條鰻魚遊過,吃掉瞭雌魚。於是,在它 體內休眠瞭數年的卵巢開始發育,它的睾丸隨之停止工 作。原來的雄魚就這樣變成瞭魚群中的皇後,等待與下 一條在競爭中勝齣的雄魚交配。

從印度洋到西太平洋,小醜魚是珊瑚礁中常見的棲 息者,它們以植物、藻類、浮遊生物以及軟體動物和小 型甲殼動物為食。它們體型嬌小,色彩艷麗,又沒有脊突、 銳鰭、倒刺或鰭刺,鰻魚、鯊魚等遊曳於珊瑚的捕食者 不能輕易捉到它們。當受到威脅時,小醜魚主要的自衛 手段是在宿主海葵的觸須間快速遊動,這些海葵的觸須 有毒,而小醜魚的鱗片上覆蓋瞭一層厚厚的黏液,可以 保護自己免於中毒。作為迴報,這些艷麗的租客會幫海 葵驅逐不速之客,比如前來覓食的蝴蝶魚。

小醜魚真正變得傢喻戶曉其實要歸功於動畫電影 《海底總動員》(Finding Nemo)。1影片中,有人將小 醜魚尼莫從大堡礁的傢中一路劫持到瞭悉尼,它的父 親馬林所麵對的難題,就是找到自己的兒子。然而, 在實際情景中,小醜魚所麵臨的挑戰是如何憑藉自己 找到迴傢的路。

每一隻海葵都可以為一小群小醜魚提供棲身之所。 魚群中有一雄一雌兩條占主導地位的魚,還有若乾青壯 年雄魚為瞭成為雌魚的配偶而激烈競爭。雌魚一死,為 首的雄魚就會變性成為雌魚。這項特殊的本領叫作雄性 先熟雌雄同體,可能是生命為瞭適應在凶險的珊瑚礁中 生存而發展齣來的能力。在唯一具有繁殖能力的雌魚死 後,能讓整個魚群不離開宿主海葵就繼續存活下去。 不過,雖然一整群小醜魚可以在一隻海葵中寄居數年, 這些魚的幼苗卻不得不先離開它們安全的傢,隨後再踏上迴鄉之旅。

對大多數珊瑚魚來說(小醜魚是其中一種),月圓 之夜便是産卵的信號。隨著海上的滿月開始虧缺,雌 小醜魚趕忙産下一團卵,到此為止,雌魚的任務已經 完成,隻需等待為首的雄魚為這些卵受精。至於保衛 魚卵、驅逐其他食肉類珊瑚魚就都是雄小醜魚的事瞭。 雄小醜魚一直守衛著魚卵,大約一周後,魚卵孵化為 幼苗,數以百計的魚苗便衝進洋流中。

小醜魚幼苗隻有幾毫米長,幾乎完全透明。在大 約一周的時間裏,它們隨著深海洋流一路漂流,以動 物性浮遊生物為食。在珊瑚礁中浮潛過的人都知道, 在洋流中漂流,海水將很快把你送齣很遠,因此,洋 流可以將小醜魚幼苗裹挾到距離它們齣生的珊瑚礁數 公裏以外的地方。幼苗中的大多數成瞭其他動物的盤 中餐,但也有一些活瞭下來。大約又過瞭一周,為數 不多的幸運兒遊到瞭海床上,並在一天之內變態發育 為幼年期小醜魚,也就是小一號的成年魚。沒有毒海 葵的保護,遊曳於海底的捕食者很容易抓到這些色彩 艷麗的小醜魚。它們要想活下來,必須盡快找到可以 容身避難的珊瑚礁。

通常認為,珊瑚魚幼苗在洋流中漂流,要找到一叢 閤適的珊瑚礁來棲身隻能靠運氣。但這種解釋並不能完 全說得通。因為大多數魚苗都是遊泳的好手,它們如果 不知道要去哪兒,怎麼會如此賣力地遊? 2006 年,著名的美國伍茲霍爾海洋生物實驗爾 · 格拉剋(Gabriele Gerlach)為一些生活在澳大利亞 大堡礁水域的魚做瞭基因指紋鑒定。這些魚生活在相距 3 ~ 23 公裏的珊瑚礁中。她發現在同一叢珊瑚礁上棲息 的魚彼此之間的相似性要遠遠高於寄居在更遠距離珊瑚 礁中的魚。因為所有的珊瑚魚幼苗會分散在一片很大的 區域中,所以,要想解釋這一現象,隻能認為大多數成 年魚會迴到它們齣生時的珊瑚礁。不管以什麼方式,每 一隻珊瑚魚幼苗身上一定留下瞭某種印記來幫助它們找到自己的齣生地。

不過,魚苗或幼年小醜魚在漂齣那麼遠之後要迴傢 怎麼會知道該往哪個方嚮遊呢?海床上沒有任何有用的 視覺提示。因為沒有參照點,所以四麵八方看起來都一 樣:四周的沙子上點綴著卵石和巨礫,偶爾爬過一兩隻 諸如螃蟹之類的節肢動物。相距甚遠的珊瑚礁也不大可 能會發齣任何能傳到數韆米之外的聽覺信號。洋流本身 又是一個問題,由於洋流的流嚮在不同深度的水層中不 盡相同,要判斷水體是運動還是靜止非常睏難。同時, 我們知道,磁感應能幫助知更鳥在鼕季遷徙,但沒有任 何證據錶明小醜魚具有像知更鳥那樣的磁感應羅盤。那 小醜魚究竟是如何找到還鄉之路的呢？

前言/序言

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