没有量子力学，就不会有生命-神秘的量子生命

没有量子力学，就不会有生命

我们在数码世界中的短途旅行，揭示了追寻生命起源过程中的本质问题：搜罗所有必要的零件并以正确的结构组装成自复制体的“搜索引擎”到底有什么性质？无论“原始汤”中有什么化学物质，要想碰巧组成一个极其稀有的自复制体，必须要尝试海量的可能性。我们的问题会不会是将自己的求解路径局限在了经典物理世界的规则中呢？你可能还记得第3章中麻省理工学院的量子理论家们。一开始他们高度怀疑《纽约时报》的报道，不相信植物和微生物采用的是量子搜索路径。但他们最终接受了这个想法，认为光合作用系统采用的确实是量子搜索策略，即量子漫步。其实，与之类似，生命的起源可能也有某种量子搜索情景的参与。几位研究人员，也包括笔者，正在进行这方面的研究。

假设有非常小的一点原始液体密封在蛇纹石的一个孔隙中。这些蛇纹石生成于约35亿年前，正是来自上文中古伊苏海底的泥火山喷发，当时格陵兰的片麻岩层正在成形。这就是达尔文所说的“某种温热的小水塘，里面有各类铵盐和磷酸盐，还有光、热和电……”，“正准备着进行更加复杂的改变”的“蛋白化合物”正是在这里形成。现在，我们进一步假设这种“蛋白化合物”（也可以是一种RNA分子），是由斯坦利·米勒发现的那种化学过程合成的，是一种原始酶（或核酶），可以进行酶催化，但还不能进行自我复制。再假设该酶中的某些粒子可以移动到不同的位置，但囿于经典物理的能量壁垒而不能移动。当然，我们在第2章中曾讨论过，电子和质子都能进行量子隧穿，穿过以经典物理方式无法穿透的能量壁垒，该特征在酶促反应中相当重要。实际上，电子或质子可以同时存在于壁垒的两端。如果我们假设原始酶中也有这样的过程，粒子可以出现在能量壁垒的任意一边，那么我们就能预期，原始酶的不同结构会引发不同的酶活动，从而加速不同类别的化学反应，而其中就有可能包括自复制反应。

为了便于计算，我们假设这个假想出的原始酶共有64个质子和电子，每个质子和电子都可以量子隧穿到两个不同位置中的任意一个位置。如此一来，这个虚构的原始酶就会有数量巨大的不同结构：264——简直是天文数字。现在，再假设这些结构中只有一种情况可以使之变成自复制酶。那么问题来了：要找出使生命出现的那个特殊的结构有多难呢？在我们温热的小水塘中可能会出现自复制体吗？

先考虑原始酶是纯粹的经典物理分子的情况。此时原始酶不能使用任何量子技巧（如量子叠加态或量子隧穿）。在任何给定时间，该分子必须是264种可能结构中的一种，而该原始酶成为自复制体的可能性为1/264，可谓概率极小。在概率上几乎可以确定的是，这个遵循经典物理的原始酶将卡在某种无聊的结构中，永远无法自我复制。

当然，由于普遍的热动力学磨损，分子随时在改变，但在经典物理世界中，这个改变的过程相对缓慢。一个分子要想改变，形成新的分子结构，最初的原子排列必须拆散重组。正如第2章中“长生不老”的恐龙胶原蛋白一样，化学变化有时会经历数个地质历史时期。按照经典物理，原始酶即使花上漫长的时间也只能尝试264种不同化学结构的冰山一角。(www.xing528.com)

然而，假如原始酶中的64个质子和电子都可以在两个位置之间隧穿切换，局面便大不相同了。作为一个量子系统，原始酶可以同时以所有可能的结构存在，处于一种量子叠加态中。我们选择64作为粒子数量的用意在此处也变得清晰：第7章中，我们曾用皇帝的棋盘谬误来展示量子计算的力量，而此处我们用数量相同的隧穿粒子取代了棋盘上的方格或量子位。如果活得够久，我们的原始自复制体可以充当一台64量子位的量子计算机，而我们早已见识过这一装置神奇的能力。或许，它可以利用自己强大的量子计算力来求解该问题的答案：正确的自复制体分子结构是什么？在量子视角下，问题及其可能的解答逐渐变得清晰。假设原始酶处于这样的量子叠加态中，在264种可能的结构中找出自复制体的那种结构就变得迎刃而解。

但还有一个困难。你应该记得，要想进行量子计算，量子位必须处于相干且纠缠的状态。一旦出现退相干，264种不同状态的叠加态就会塌缩，只剩下一种。这有什么用呢？从表面上看，并没有什么用。因为从量子叠加态塌缩为可以自我复制的单一状态，其概率与之前相同，都是极小的1/264，相当于连续64次掷硬币掷出了“字”面朝上的情况。但接下来发生的事情，量子过程便与经典物理过程分道扬镳了。

如果一个分子不具备量子力学的性质，而且处于无法自我复制的错误原子排列状态（在概率上几乎一定会处于这种状态），要尝试一种不同的结构，就必须经历如地质演变般漫长的分子键分解和重组过程。但是，同样一个分子如果具备量子性质，在退相干停止后，原始酶的64个质子或电子，每一个都能瞬时隧穿进入两种位置的叠加态，重新构建起分子在起始时拥有264种不同结构的量子叠加态。在64量子位的状态中，量子原始复制体可以在量子世界中持续重复这一过程，寻找实现自我复制的可能性。

退相干会很快使量子叠加态再次塌缩，但这一次，塌缩后的分子改变结构，成了264种不同结构中的另外一种。一次又一次，退相干使叠加态塌缩，而系统又进入另一种不同的结构。这个过程会无限地持续下去。在这个相对受到保护的环境中，量子叠加态的形成和塌缩基本上是一个可逆的过程：量子硬币在叠加和退相干的反复中被持续地掷出，而这一过程比经典物理世界中化学键的断裂和形成要快得多。

然而，有一个事件会使投掷量子硬币的游戏终止。如果量子原始复制体最终塌缩进入自复制体状态，便会开始自我复制，而且就像我们在第6章讨论过的饥饿的大肠杆菌细胞，复制过程会迫使系统不可逆转地进入经典物理世界。这一次掷出的量子硬币不能再收回重掷，第一个自复制体就这样在经典物理世界中诞生了。当然，自复制体的自我复制过程一定会涉及某些生化过程，或发生在分子内，或发生在分子与周围环境之间，但这是另外的问题了，与发现自复制体之前的生化过程是两回事。换句话说，此时需要一种能将此特殊结构锚定在经典物理世界中的机制，以防分子失去这一结构，进入下一个量子排列。