2019年2月10日 星期日

解開生命之謎:運用量子生物學,揭開生命起源與真相的前衛科學

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英文書名(life on the edge)比中文書名更能反映作者的生物觀點。無機物和生命體在肉眼可見的範圍皆遵循牛頓力學,但其差異在於部分粒子的變動能否影響整體的行為。無機物的特性(熱漲冷縮、結晶、……)源於數量龐大的粒子分攤掉個別粒子的隨機特性,因此個別粒子無法影響整體。但是生命卻可以營造合宜環境,隔離或駕馭不規則擾動,保持個別粒子的特性,進而擴增到整個生命體驅動大大小小的反應,而這種特性可以用量子力學描述。換句話說,生命是在量子力學或古典力學支配的兩種秩序中間的微妙平衡,死亡意味著這平衡被打破,喪失微觀秩序和巨觀秩序的連結。

薛丁格在《生命是什麼》中提及基因包含的原子數量不足以用熱力學原則(秩序源於大量不規則行為的平均)說明其遺傳精確性,因此得援用量子力學解釋。繼承此信念的物理學家在生物體內找尋能應用量子力學的場合,因為量子效應僅出現在微觀尺度,又容易受細胞內隨機運動的粒子影響而失效,所以這類反應系統應該只涉及數目少、質量小的粒子,而且能藉由孤立空間或其他方法排除干擾。此外,反應系統需在維繫生命運作的關鍵位置上維持平衡,使微觀層次的變動得牽動巨觀層次。

此書前半部討論的酵素活性位、植物光系統、嗅覺受器以及磁導航器官皆屬此例,它們是維持生命的重要反應,又僅涉及電子或質子等小粒子轉移。作者用大量篇幅回顧這些領域的研究成果,接著點出傳統理論的缺陷,再舉出量子效應在其中扮演重要角色的證據,最後用比喻的方式引介量子生物學詮釋,幫助讀者理解抽象概念。

為了呼應其生物觀點,作者在後半部將量子理論應用到生物演化、大腦意識和生命起源等議題上,試圖將之推廣為為生命運作的基石。不過相較於前半段內容有較多實驗和文獻支持,這部份把量子理論套用在巨觀階層的種種模型仍屬推測。

雖然含有大量物理術語,但沒有必要讀通(即使作者嘗試讓我們更容易理解),畢竟這是介紹如何應用量子力學解釋生物現象的科普作品,不是量子物理課本,重點應該放在了解這方法有何優點和限制,並且留意以下幾個問題:


  • 書中提到的是經實驗佐證的理論還是大膽的猜測?
  • 這些有證據的理論是挑戰了傳統學說,還是其解釋含糊的細節?
  • 是生物體依賴量子效應,還是量子效應出現在生物體中?
  • 微觀尺度的量子效應是否影響巨觀層次?
  • 量子效應是反應的先決條件,還是從眾多選擇演化而來的結果?


對生命起源有興趣的讀者只需讀第一、二、九和十章,當中介紹的生命起源機制仍奠基於RNA世界說,只是傳統理論難以解釋該如何從有機分子中產生自我複製體,所以想像了一個能利用量子效應同時展現各種結構的「原酶」,能比化學重組更有效率地測試可能結構。當某個結構出現自我複製功能時,原酶就會喪失量子效應,維持穩定並持續複製下去。然而傳統理論的挫敗無法證明這個理論是對的,而且這想法只停留在模型階段還沒有任何證據支持,因此應謹慎看待。

作者在最後對建造人工細胞的提議類似《再創世紀》裡面提到的方法,沒有推翻以往研究者的成果,:湊齊已知生命需要的功能元件、酵素和分子,安裝在脂肪隔間裡。不過強調要考慮量子效應,否則人工生命體沒辦法運作。

題外話:簡中版的書名叫《神秘的量子生命》,乍看之下讓人聯想到劉慈欣小說《球狀閃電》裡的量子幽魂,一眼之下還以為是什麼靈修著作,和正體版一樣都沒有凸顯此書前半部嚴謹的敘述,反而把重點放在較具爭議後半部,還過度延伸些作者一直澄清不該和科學混淆的靈魂、哲學、神學概念,這點實在讓人匪夷所思。

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