创造神秘的量子生命-神秘的量子生命

结语     我们一定会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！

“怪异”，是人们最常用于形容量子力学的词。而它也的确称得上怪异。量子力学认为，在某些情况下，物体能够穿过不通透的障碍物、能够同时出现在两个位置、遥遥相隔的两个物体之间存在“超距作用”，这样的学科怎么说也不能叫寻常。但是量子力学理论的数学框架逻辑严谨，它能够准确描述微观世界中基本粒子和基本力的性质。因此，量子力学研究的对象是物理学世界的基石。离散能级、波粒二象性、相干性、纠缠态以及隧穿并不只是存在于科学家们考究的实验室里，也不仅仅是科学家故弄玄虚的概念而已。这些现象与“奶奶做的苹果派”一样真实存在，它们甚至就发生在“苹果派”当中。实际上，量子力学一点都不怪异，怪异的是量子力学所描述的这个世界本身。

但是我们发现，大多数量子世界的独特现象都在宏观物体内部混乱的热力学环境中丧失殆尽。这种过程被称为退相干，我们熟悉的经典世界就是退相干的产物。所以物理学的世界可以被分为三个层次（见图C-1）。表面的第一层是宏观世界，这个世界里的日常物体，比如足球、火车和植物等，它们的行为遵循牛顿运动力学法则，我们可以用速度、加速度、动量和力等熟悉的概念来描述它们。在此之下，是描述液体、气体行为的热力学世界。在这一层里牛顿的经典法则依旧适用，但是我们在第1章里说过，薛定谔指出，这种适用性是基于对万亿个各自进行无序运动粒子的统计学处理，是“来自无序的有序”。热力学法则旨在描述类似气体受热如何膨胀、蒸汽如何做功驱动火车这样的现象。最深的第三层，也就是物理学的基石：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精确而有序的量子规则，经典力学的影响已经鞭长莫及。

图C-1　物理学的三个层次

不过，大多数的量子现象通常都看不见。只有在类似于双缝实验那样的情景中，当我们仔细观察单个粒子的运动时才能看到一点量子力学的端倪。退相干滤去了宏观世界中大型物体的量子力学现象，这也就是为什么量子世界对我们来说显得非常陌生的原因。

相对来说，大多数生物体都称得上是体形巨大了。它们的运动和火车、足球以及炮弹一样，都符合牛顿力学法则：发射一枚炮弹的人与炮弹运动的方式都遵循牛顿力学。在稍微深一点的层面上，组织和细胞的生理活动遵循着热力学定律：肺的膨胀和收缩与气球的膨胀和收缩没有本质区别。所以乍看之下，你可能会认为知更鸟、鱼类、恐龙、苹果树、蝴蝶、人类以及其他经典宏观物体都与量子力学没有什么关系，事实上多数科学家也是这么认为的。但是，我们已经看到生命现象里有诸多的例外：生命的根须穿透牛顿力学的土壤，贯穿浑浊的热力学地下河，深深植根于量子力学的地底岩层内。宏观的生物体内仍然存在量子相干性、叠加态、隧穿和纠缠态现象。我们在这结语中想要探讨的是：生物体是如何做到的？

我们在前面的探讨中已经部分回答了这个问题。埃尔温·薛定谔在70多年前就指出生命与无机世界的不同之处在于，其精确到分子水平的结构性与有序性。这种有序性赋予了生物体一种连接分子和宏观世界的有效手段，如此一来，发生在分子水平的量子事件就能够对生物整体施加影响：这种量子力学对宏观世界的放大效应是量子力学的另一位先驱——帕斯夸尔·约尔旦提出的观点。

当然，在薛定谔和约尔旦论述生物学的时代，还没有人知道基因的构成，也没有人知道酶或者光合作用的工作原理。在接下来的半个世纪里，大量的分子生物学研究绘制了一幅有关生物分子结构的细致图谱，我们的眼界甚至深入到DNA以及蛋白质内的单个原子。量子力学先驱们富有预见性的洞察力终于获得了世人迟来的肯定与理解。我们渐渐意识到，即便已经从原子水平上阐明了光合系统、酶系统、呼吸链以及基因的结构，但是如果没有量子运动的参与，那么维持我们生命的呼吸系统、构建我们身体的酶系统以及制造我们星球上整个生物圈的光合作用系统都依旧只是天方夜谭。

科学家对量子力学如何参与生命过程依然疑惑重重，其中最主要的困惑是，生物体如何能够在温暖、潮湿的细胞内保持粒子的相干性。蛋白质和DNA不是机器，它们与物理实验室里测量量子效应的机械设备不同，不是由标准化的金属零件拼装而成的。蛋白质和DNA是黏糊糊、有韧性的生物分子，它们时刻在进行热力学振动，也时刻受到周围其他粒子震荡的冲撞，我们称这种持续冲撞的阻力为分子噪音[79]。组成DNA和蛋白质的原子在分子噪音的震荡和冲击下，本应该发生退相干。生物大分子如何能够维持其脆弱的相干性一直是个谜。不过，你在接下来的讨论里会看到，这个谜题（连同生命本质）的神秘面纱，正在被渐渐掀起。这些新发现很可能在未来推动量子技术的发展。

量子生物学的新发现

一般科普书在写作中不需要进行修订，但是在最后这个章节中我们还是要探讨一些刚刚才出现的最新结果。量子生物学在众多最前沿的领域里都势如破竹。它的进展实在太快了，我们相信这本书很可能在刚出版时就已经不可避免地过时了。目前的研究中最让人惊讶的是，人们对生物体处理分子振动（也就是分子噪音）方式的新发现。

你可能还记得我们在第3章中对光合作用的探讨，某些微生物和植物的叶片中充斥着叶绿体，而叶绿体中又布满了大片大片的叶绿素分子。光合作用的第一步始于叶绿素分子捕获光子并将其能量保留在震荡的激子中，光子的能量以激子的形式横扫过整片的叶绿素之林，最终到达反应中心。我们还探讨过能量传递过程中检测到的相干性信号和量子节拍——它们都是激子以量子漫步的方式向反应中心传递能量的证据，不然叶绿素能量传递的效率很难达到接近100%。不过激子到底如何在细胞内部嘈杂的分子环境时保持相干性和波动性，一直以来都是未解之谜。而最近对光合作用的深入研究却让我们发现，生物体可能从来没有逃避分子振动，相反，它们会踩着分子振动的节拍翩翩起舞。

在第3章里我们打过一个比方，把量子相干性之于光合作用比作“合拍合调”之于交响乐演奏。光合作用中的色素分子合着相同的节拍演奏了一场分子交响乐。不过光合系统面临着细胞内环境异常嘈杂的问题。事实上，这出分子交响乐不是在安静的音乐厅上演，而是在繁华的市中心上演，无处不在的分子噪音时刻干扰着音乐家的演奏。对光合系统中的激子而言，它们的振动随时可能被周围的分子撞得“走调”，失去脆弱的量子相干性。

对努力想要建造量子计算机的物理学家和工程师们而言，上面的比方并不会陌生。为了避免分子噪音，他们通常会采取两种主要手段。第一，他们会十分小心地确保设备的温度保持在非常低的水平，几乎接近绝对零度。在如此低的温度下，就连分子振动也会趋于停滞，所以分子噪音也就变弱了。第二，他们会把设备放置在一个相当于录音棚的庇护所里，以屏蔽外界环境中的分子噪音。然而自然界中不论是活细胞、植物还是微生物，都生存在燥热的环境里，也没有屏蔽环境噪音的庇护所，它们要如何维持长时间的量子相干性呢？

答案可能是：光合作用反应中心里有两种特殊的分子噪音，它们不仅不会破坏相干性，反而有助于维持反应粒子的相干性。第一种噪音的强度相对较弱，某些地方把它称为“白噪音”（white noise），白噪音就像电视或者收音机里的静电噪音，可以干扰所有波段[80]。白噪音是周围环境中粒子热力学振动的结果，在活细胞里，这些“环境中的粒子”包括了水分子和金属离子等。而第二种噪音有时被称为“有色噪音”（coloured noise），这种噪音更“响”而且仅限于特定范围的波段，就像彩色（可见）光只代表整个电磁波谱上极其狭窄的一段频率范围。与白噪音相比，产生有色噪音的粒子其分子量要大得多，比如叶绿体内的色素分子（叶绿素）以及固定叶绿素的骨架蛋白。骨架蛋白由多条氨基酸串联成的蛋白链经过折叠、扭曲形成，它的中心具有能够容纳色素分子的结构。蛋白链的折叠和扭曲灵活可变，因此骨架蛋白能够发生振动，但是就像吉他的弦一样，它们只能以特定的频率进行振动。当然除了骨架蛋白，色素分子同样具有独特的振动频率。有色噪音就像音乐中的和弦，它由几个特定频率的音符构成。光合作用系统似乎能够同时利用白噪音和有色噪音，为激子向反应中心传递能量的相干性过程保驾护航。

2008—2009年，有两个研究团队分别独立发现了生物能够利用这两种分子噪音的证据。其中之一是来自英国的马丁·普朗尼（Martin Plenio）和苏珊娜·韦尔加（Susana Huelga）夫妇，他们二人一直以来都对外界“噪音”如何影响量子系统动力学的问题感到好奇，所以当他们读到（我们在第3章中介绍的）格雷厄姆·弗莱明2007年那篇有关光合作用的研究时，一点都没有觉得惊讶。以此为契机，普朗尼和韦尔加迅速发表了多篇论文（后来被广泛引用）阐述一种理论模型：不仅仅是在光合作用复合体中，活细胞内嘈杂的分子环境可能在其他生物系统中也同样有助于量子运动以及相干性维持，而不是破坏量子相干性。

与普朗尼和韦尔加隔海相望的大西洋彼岸，另一个团队是由塞思·劳埃德领导的麻省理工学院量子信息学研究小组。然而最初劳埃德以及他的小组成员并不认同植物光合作用过程中涉及量子力学的观点。劳埃德在弗莱明和恩格尔发现海藻光合作用复合体中的量子节拍之后，与来自哈佛大学的同事一起把工作的注意力转向这种复合体。他们的研究显示，具有量子相干性的激子在能量传递中既可以受到环境噪音的干扰，也可以受到它的促进，决定因素在于环境中分子噪音的“大小”。如果系统的温度太低，也就是太过“安静”，那么激子的振动将显得漫无目的，能量传递将失去方向；但是如果环境温度太高、噪音太过“嘈杂”，一种被称为“量子芝诺效应”的现象就会出现，阻碍激子的量子传递。在这两个极端之间，则是振动有益于量子传递的“适宜区间”。

量子芝诺效应以古希腊哲学家芝诺的名字命名。出生于埃里亚[81]的芝诺善于用悖论的形式提出哲学问题，其中之一就是著名的飞矢不动悖论（arrow paradox）。一支飞行的箭矢在每一个瞬间都占据了空间中一个确定的位置，芝诺认为，在这个瞬间，你无法区分这支飘浮的箭矢究竟是运动的还是静止的，两者没有任何区别。所以，飞矢的悖论在于它的运动能够被分解成一系列静止的瞬间。而当这些静止的瞬间和其中悬浮的箭矢被拼接起来时，静止的箭矢却动了起来。那么一连串静止的物体如何才能变成一个运动的物体呢？我们现在已经知道了答案：飞矢悖论的问题在于时间可以被无限分割，并不存在作为时间最小单元的“瞬间”。但是这个答案的出现已经是17世纪微积分发明之后的事了，当时距离芝诺提出这个悖论已经过去2 000多年。不过，芝诺悖论（至少这个名字）还是被人保留了下来，成为量子力学众多奇特性质之一的名字。量子芝诺效应的含义是：量子的箭矢真的能够被观察所定格。

1977年，来自得克萨斯大学的物理学家们发表了一篇论文，指出量子世界中的确存在一种类似芝诺飞矢不动悖论的现象。从此，量子芝诺效应这个词进入了科学家的视野，它的含义是：持续不断的观察可以阻止量子力学运动的发生和继续。比如说，如果对一个放射性原子进行严密而持续的观察，那么它就永远不会衰变——这种效应可以用一句谚语来形容：盯着的水壶烧不开。当然这只是一句谚语而已，水壶里的水迟早是会烧开的，只是人急于喝茶的心情让时间流逝看起来很慢而已。但是在量子世界就不同了：海森堡指出，在量子力学的范畴内，观察（以及测量）将不可避免地改变客体的状态。

为了说明芝诺悖论和生命的关系，我们回到光合作用中能量传递的步骤。想象一片叶子刚刚从阳光中捕获了一个光子并把它的能量保留在激子中。如果用经典的眼光来看，这个激子是一个存在于空间和时间内某一点的粒子。但是双缝实验的结果表明，量子粒子同样具有波的弥散性质，量子叠加态允许它们在空间里同时存在于多个不同的位置。激子的波动性让它能够像溢出的水流一样同时循着多条途径运动，这对高效的量子传递而言必不可少。但是如果激子的量子波动撞上了叶子内“退相干的顽石”，它就会在嘈杂的噪音里丧失波动性，变为一个位置只能固定于某一点的经典粒子。在这里，分子噪音的作用相当于一种持续的测量，当它非常强烈时，退相干的发生速度也会非常迅速，激子的量子波还没有到达目的地就失去相干性。这就是量子芝诺效应：它让量子波发生塌缩，回到经典世界的规则中。

麻省理工学院的小组在评估分子噪音，也就是分子振动对微生物光合作用复合体的影响时，发现量子传递的最佳温度恰好与微生物和植物进行光合作用的最适温度相当。量子传递效率最高与生物生存最适，两者在所需温度上的完美契合十分受人瞩目。麻省理工学院的团队宣称，这表明经过30亿年的自然选择，生物圈最重要的生化反应已经在量子进化的层面上达到了最优化。他们在后来发表的论文中依旧主张，自然选择倾向于将量子系统具有的相干性调整到“正好”能获得最大效率的水平。

除了相对较弱的白噪音，由色素分子，甚至围绕色素的蛋白分子振动产生的有色噪音，也被认为是维持量子相干性的“有益”振动。如果我们把热力学噪音（白噪音）比作没有调好频段的收音机里嘈杂的静电干扰，那么“有益”的有色噪音就相当于收音机播放的海滩男孩乐队那首《美好的感受》中简单欢快的节拍：“砰砰！砰砰！”不过可别把这个比喻里的节拍与格雷厄姆·弗莱明小组检测到的量子节拍相混淆，量子节拍反映的是激子的波动性。马丁·普朗尼在德国乌尔姆大学的团队于2012年和2013年发表了两篇论文，指出如果激子的震荡与其周围蛋白质的震荡（也就是与有色噪音）的震荡周期相同，那么具有相干性的激子在受到白噪音的干扰时，它可以通过蛋白质震荡的影响恢复相干性。除了普朗尼的小组之外，在2014年，英国伦敦大学学院的亚历山德拉·奥拉雅-卡斯特罗（Alexandra Olaya-Castro）在《自然》上发表了一篇文章，在那篇赏心悦目的研究论文里，她指出，在激子和周围蛋白分子的震荡（也就是有色噪音）具有相同量子的能量，这是量子力学存在的铁证。

为了更好地理解两种分子噪音在激子传递中的作用，我们再拿音乐打一个比方，设想光合作用系统就是一场交响音乐会，而色素分子就是这场音乐会上所有的乐器，激子的震荡则是乐曲的旋律。我们设想交响乐的开场是一段小提琴独奏，代表色素分子捕获了一个光子并把它的能量保留在一个振动的激子中。接着，其他弦乐器按照激子的旋律奏响，然后是管乐器，最后加入的是打击乐器，打击乐器在我们的比喻中相当于反应中心。我们再进一步想象，这场音乐会是在一个座无虚席的剧场里进行的，观众里有人在拆零食的包装袋，有人在拖拽椅子，有人在咳嗽，也有人在打喷嚏，这些相当于白噪音。舞台上的指挥则相当于有色噪音。

我们首先假设这是一个嘈杂的夜晚，观众们喧闹无比，演奏者不光听不见同行们的声音，连自己的演奏也听不清楚。在一片喧嚣混乱中，演奏者都听不清领头的小提琴声，也跟不上小提琴的旋律。这就是量子芝诺效应所描述的情况，过大的分子噪音阻碍了量子传递。但是，噪音极其低也不见得就最好。我们再假设乐队在一个空荡荡的剧场里演出，而台下一位在场的观众都没有。演奏者们都能而且只能听到彼此乐器的声音，于是所有人都能跟上乐章开篇的旋律。但是这段旋律在脑海里挥之不去，演奏者们只能都不断重复自己的演奏。这和上一种情形相反，在这种情况下，量子相干性又显得过于强，激子震荡着穿越了整个系统，却没有在应当停止的位置上停留下来。

在理想的噪音区间内，台下自律的观众只发出一些可以容忍的噪音，来自观众的微弱噪音足以让演奏者们从单调的重复中摆脱，抑扬顿挫地完成整场乐曲的演奏。偶尔会有不自觉的观众拆开一包零食，引起的噪音干扰了某几个演奏者的节拍和音调，这时候，指挥通过挥舞手中的指挥棒，把跑调的人指引回光合作用的主旋律上。

寻找生命的原动力

我们在第1章就窥探过蒸汽机的内部，它的原动力来自无数进行随机运动的粒子，蒸汽机引导粒子潮推动气缸的活塞运动。于是我们不禁要问，生命能不能也用与蒸汽机完全一样的热力学原理来解释：会不会生命只是一种更精巧的蒸汽机罢了，两者的本质同样是“来自无序的有序”？

许多科学家相信答案是肯定的，他们认为，生命只是一种比蒸汽机更复杂的热力学系统。复杂理论（complexity theory）的研究对象是某些混沌运动所体现的宏观有序性，这种混沌系统产生有序性的方式被称为自组织（self-organization）。举个例子，我们多次提到过液体里的分子进行着完全随机的混沌运动，但是当你放掉浴缸里的水时，浴缸排水口周围的水流却总是规律地沿着顺时针或者逆时针的方向流动。这种宏观的有序性还可以在许多其他现象里看到，比如烧水时壶中水的对流、飓风、龙卷风、木星大红斑等。自组织与不少生物学现象也有关联。比如鸟群、鱼群和昆虫群的集群行为，以及斑马身上的条纹分布，乃至某些叶片复杂的叶形结构等。

这些随机系统共同的奇特之处在于，系统宏观上的有序性并没有体现在它们的分子层面上。如果你有一台十分强大的显微镜，能让你看清流入排水孔的每一个水分子，你会惊讶地发现，它们的运动除了略带一点点顺时针或者逆时针的倾向之外，几乎是完全随机的。在微观水平上，粒子总是进行混沌运动——但是只要这种混沌运动略带一丝偏倚，它就有可能在宏观水平上体现出有序性：有人把这种原理称为“来自混沌的有序”。

从概念上来说，“来自混沌的有序”与薛定谔提出的“来自无序的有序”十分类似，我们说过“来自无序的有序”正是蒸汽机隐藏的原动力。虽然活细胞内有许多无序运动的粒子，但是生命活动的本质是基本粒子在酶、光合作用系统、DNA以及其他部位经过精巧设计与布局的活动。生命在显微水平上具有内在的有序性，因此仅仅依靠“来自混沌的有序”无法解释奇异的生命现象。生命与蒸汽机车完全不同。

最新的研究表明，生命可能是一种量子形式的蒸汽机。蒸汽机的工作原理最初是由19世纪的一名法国人萨迪·卡诺（Sadi Carnot）阐明的。卡诺的父亲是拿破仑的陆军大臣拉扎尔（Lazare Carnot）。拉扎尔原本任职于路易十六麾下的工兵团。在路易十六被废黜之后，拉扎尔没有像其他贵族一样举家外逃，相反，他留在国内并参加了大革命。作为陆军大臣，他肩负着训练法国革命军抗击普鲁士侵略的重任。除了是一名杰出的军事家，拉扎尔同时还是一名数学家、一名音乐和诗歌爱好者（他为自己儿子取的名字来自中世纪的波斯诗人萨迪·设拉子），此外，拉扎尔还是一名工程师：他写过一本解释机械如何将一种能量转化为另一种能量的书。

萨迪·卡诺从他的父亲那里继承了部分革命和民族主义的热情，因此在1814年普鲁士再次围攻巴黎时，还是个学生的萨迪毅然参加了保卫巴黎的战斗。萨迪同样展示了如同他父亲一样的工程学洞察力，他的著作《思考火的原动力》（Refection on the Motive Force of Fire）[82]常常被认为是热力学成为一门科学的标志。

萨迪·卡诺从蒸汽机的设计中汲取灵感。他认为，法国之所以在拿破仑战争期中失败，是因为法国没有像英格兰一样掌握建立重工业所需的蒸汽机的技术与实力。不过，虽然最初是英格兰发明了蒸汽机并成功把它用于商业贸易，但是自苏格兰发明家詹姆斯·瓦特（James Watt）发明蒸汽机之后，它的设计就一直没有变化。蒸汽机技术止步不前的原因是它缺乏理论基础。萨迪·卡诺试图用数学手段阐释热机（在当时的火车上广泛使用）是如何通过一种循环过程进行做功的，以此弥补当时蒸汽机相关理论缺失的情况。他所描述的循环过程在今天被称为卡诺循环（Carnot cycle）。

卡诺循环解释了热机如何在冷却过程中利用释放的一部分热量做有用功的原理。具体地说，蒸汽机把水蒸气从锅炉转移到冷凝器，在冷凝器内水蒸气放热，蒸汽机将水蒸气放热过程中释放的一部分热能转化，用作水蒸气推动气缸活塞运动的机械能，活塞运动推动火车头的车轮转动。冷凝的水被送回锅炉，准备再次被加热成为水蒸气，执行新一轮的卡诺循环。

卡诺循环的原理适用于所有利用热能做功的热机，从拉动第一次工业革命的蒸汽机到驱动现代汽车前进的汽油发动机，再到家中推动冰箱冷却液的电动泵，都符合同一原理。萨迪·卡诺指出，所有这类热机（用他的原话说：“任何能够想象的热机。”）的效率都由几个相同的基本因素决定。不仅如此，他还证明了所有经典热机的能量转化效率都存在理论上的最大值，这个最大效率被称为卡诺极限（Carnot limit）。比如，电动机利用100瓦特的电功率提供25瓦特的机械功率，那它的效率就是25%：这意味着75%的电能都以热能的形式耗散了。经典的热机效率普遍不高。

卡诺原理和卡诺极限的适用范围非常广，甚至可以应用于光电池，光电池就是把捕捉的光能转化为电能的装置，常常可以在某些建筑物的天台上找到。植物叶片里的叶绿体就相当于生物光电池，我们在书中已经讨论过叶绿体作为生物光电池的原理。这样的量子热机和经典热机的工作原理大同小异，但是与经典热机中的水蒸气或者光子不同，量子热机中充当热源的是电子。电子先吸收光子并跃迁到较高的能级，然后在需要的时候它们可以放出这部分能量来做需要的功。这种观点可以追溯到爱因斯坦的研究，也是后来制造激光的理论依据。量子热机的主要问题是，跃迁电子具有的能量会以热能的形式迅速耗散，严重限制了这种量子热机的能量转化效率。

到目前为止，我们关注的都是激子传递能量的过程，但是你可能还记得，在光合作用复合体内，反应中心才是激子震荡的最终归宿，光合作用真正的反应过程都发生在其中。正是在反应中心，激子中不稳定的能量被转化为“电子载体”中稳定的化学能，植物和微生物利用稳定的化学能做有用功，比如繁殖出更多的植物和微生物。

在反应中心发生的反应与激子传递能量的过程一样神奇，甚至比后者更神秘莫测。我们把原子失去电子的化学过程称为氧化。在许多氧化过程中，电子非常活跃地从一个原子（称这个原子为被氧化）跳到另一个原子中。但是在另一些氧化反应中，比如碳、木头或者其他碳基燃料的燃烧，燃烧最终让几个不同的原子共用了原先只属于一个原子的电子：对提供电子的原子来说，它相当于净损失了电子（如果有人和你分享了一块巧克力棒，那你就净损失了巧克力）。所以，当碳在空气中燃烧时，碳原子外层轨道的电子成为它与氧气中的氧原子共用的电子对，共用电子对也就是二氧化碳中的碳氧键。由于碳的外层电子结合相对来说非常疏松，所以在燃烧反应中，这些电子容易被其他原子共享。然而在植物和微生物光合作用的反应中心，激子的能量被用于将水分子中的电子剥脱出来，要知道水分子中电子结合的牢固程度远远超过了碳原子的外层电子。一般来说，在反应中心，一对水分子会被分解为一个氧分子、四个带正电的氢离子和四个电子。也就是说，水分子在反应中失去了电子，因此，反应中心是我们在自然界已知的、唯一一个能够“氧化”水的地方。

2011年，同时在得克萨斯州农工大学和普林斯顿大学任职的物理学教授马朗·斯库利（Marlan Scully）与来自其他几所美国大学的合作者一起，用一种聪明的方式构想了一种理论上的量子热机，它可以超越传统量子热机的效率极限。首先，由于叠加态，电子在分子噪音的扰动下分裂为同时存在的两个不同的能级。当电子吸收光子的能量并且被“激活”时，它依旧具有同时处于两个能级（其中一个能级现在更高了）的叠加态。多亏了电子的量子叠加态使其可以同时处于两个不同的能级，于是激发电子发生能级回落的可能性变小，它具有的能量以热能的形式耗散相应减少——我们在第3章双缝实验中讨论过的干涉条纹同样是量子相干性的产物。在双缝实验里，单缝开启时光屏上某些明亮的条带在另一条缝隙打开后，由于相消干涉而变暗，相干性让原子不再能到达本可以到达的位置。而在这里，分子噪音与量子相干性之间微妙的协作，减少了量子热机的热能耗散，让它的能量效率可以超越卡诺极限。

但是，量子水平上如此精妙的协调作用真的有可能存在吗？为了做到效率最大化，你必须在亚原子的水平上精确安排每个电子的位置和能量，以保证电子之间恰当的干涉，让能量向着做功而不是热能耗散的方向传递。你还需要调整周围分子振动产生的白噪音，以便迫使那些偏离振动频率的电子能够合上另一个相同的振动频率。但是白噪音又不能太强，不然电子会在猛烈的干扰下发生节奏各异的振动而丧失相干性。那么，世界上真的存在这种能够令精妙的量子效应实现的分子协调作用吗？

斯库利2011年的论文完全建立在理论之上。至今没有人能够造出这种超越卡诺极限的量子热机。但是同一个团队发表于2013年的论文却提出一个关于光合作用反应中心的奇怪事实：反应中心的叶绿素分子可能不是单独构成量子热机，而是以配对的方式构成量子热机。他们称这种配对的叶绿体为“特殊偶对”（a special pair）。

虽然每组特殊偶对里的两个叶绿素分子在结构上一模一样，但是围绕它们的骨架蛋白却存在区别，这让两种叶绿素分子的振动频率略有不同，也就是说，它们的振动有那么一点点不合拍。在后来发表的论文中，斯库利和他的同事们指出，这种骨架蛋白的差异正是光合作用反应中心可以作为量子热机的分子结构基础。研究人员认为，叶绿体的特殊偶对利用量子干涉减少无效的能量耗散，促进能量传递到受体分子。通过这种方式，量子热机打破了200年前卡诺发现的极限，并把这个极限提高了18%～27%。这本来算不上很大的提高，但是如果考虑到从2010年到2040年，世界的能量消耗将提高大约56%，那么，能将能量利用率提到如此之高的量子热机就显得格外重要了。

此外，叶绿体中存在量子热机的可能，又为根植于量子世界的生命区别于宏观世界的机器提供了证据。当然，量子相干性对量子热机的实现必不可少。一篇于2014年7月发表的，由来自荷兰、瑞士和俄罗斯科学家合作的最新研究报道称，研究人员在光合系统II[83]的反应中心里检测到了量子节拍，他们进而认为，这些反应中心的作用相当于“量子光镊子”[84]。光合作用反应中心最早出现在20亿～30亿年前，也就是说，植物和微生物利用量子热机的历史几乎和我们的星球本身一样古老。量子热机给碳原子注入能量并合成组成微生物、植物、恐龙以及我们人类在内的所有生物质——这种复杂而机智的构造至今都还没有被我们参透或是用于人造反应。不仅如此，时至今日，我们依旧享受着远古量子能量的恩惠，这些恩惠就是我们日常使用的化石燃料，它们为我们的住所供暖，为我们的汽车供能，并为当今多数的工业生产提供支持。自然界古老的量子技术对人类现代科技进步来说具有巨大的潜在意义。

我们看到在光合作用里，分子噪音对促进激子的能量传递以及激子到达反应中心后的能量转化都具有积极作用。不过这种利用分子的瑕疵（也就是分子噪音）促进量子效应的方式并不局限于光合作用。我们在第2章讨论过酶中的质子隧穿实验，完成这个实验的团队来自曼彻斯特大学，由奈杰尔·斯克鲁顿（Nigel Scrutton）领导。他们在2013年完成了另一个实验：将酶中普通的原子替换成分子量更大的同位素。替换同位素给酶的分子弹簧[85]增加了额外的质量，因而蛋白质的振动（也就是有色噪音）发生了频率改变。研究者发现，在这种质量增加的酶中，质子隧穿以及酶的活动都受到了影响。这意味着在自然条件下，相对较轻的同位素组成的蛋白质主干，以及与此分子量对应的震荡节律对质子隧穿和酶的催化活动有重要作用。

加州大学的朱迪思·克林曼的研究团队在其他的酶中也观察到了类似的现象。所以，除了光合作用，分子噪音至少还在酶的反应中出了一分力。可能有人会认为，仅仅只有两个例子，分子噪音与生命的关联还是微不足道。但是不要忘记，酶是生命的引擎，这个星球上每一个活细胞中的每一个分子都是由酶催化合成的。有益的震荡可能对维持我们的生命至关重要。

风暴边缘上的生命

上文所说的这些发现对回答薛定谔几十年前提出的问题（生命是什么）有什么帮助吗？从具有高度组织性的宏观世界，穿过热力学狂风暴雨的海洋到达最底层的量子岩层（见图C-1），我们都认同薛定谔的主张，认为生命在这些层次上都受到有序性的支配。关键是，正如20世纪30年代帕斯夸尔·约尔旦预测的，生命的动力学系统经过了精巧的设置与平衡，量子水平的变化能够对宏观世界的事件造成影响。量子范畴内发生的变化引起宏观世界的效应是生命独有的特征，正是生命宏观现象对量子世界的敏感性，让诸如隧穿、相干性和纠缠态等量子现象造就了宏观的我们。

不过，这里有一个很重要的前提，关于生命的所有量子解释都面临着一个相同的难题：退相干。如果系统不能避免退相干，就会失去量子特征并完全表现为经典物理或者热力学行为，遵循“来自无序的有序”。科学家为了避开退相干极力屏蔽量子反应中的“噪音”。然而在本章里，我们看到生命采取了一种非常不同的策略：生命中的量子过程不仅没有受到分子噪音的干扰，反而利用它来维持自身的量子性。在第5章我们打过一个砖块的比方，砖块精妙的摆放方式让它对微小的量子事件十分敏感。接下来我们会对这个比方进一步探讨和解释，只是我们要把砖块换成一艘高大的帆船。

这艘假想的帆船一开始停在干船坞[86]里，它的龙骨是一列精心排列的原子，帆船精巧地靠龙骨立在地上。如此微妙的平衡让帆船像细胞一样，对龙骨上原子发生的量子变化极度敏感。通过影响帆船脆弱的平衡性，质子的隧穿、电子的跃迁以及原子的纠缠会对整艘船造成影响。不过，帆船的船长懂得用更聪明、更出人意料的方式驾驭这艘帆船：他反过来利用相干性、隧穿、叠加态和纠缠态等量子现象帮助帆船在出海时乘风破浪。我们之后会再讨论他如何做到这一点。

现在帆船还在干船坞里，它还没有入海远航。虽然微妙的平衡状态让这艘帆船能够对微小的量子变化做出反应，但是同样是由于这种脆弱的平衡状态，摇摇欲坠的船体无法承受哪怕最弱的微风——哪怕只是一个空气分子的撞击也足以让这艘船倾覆。工程师们为了能让帆船既保持直立，又保留对量子变化的敏感性，会选择将帆船密封在干船坞里，抽出里面所有的空气，以免像台球一样震荡的空气分子掀翻船体。除此之外，工程师们还会把整个干船坞的温度降到几乎绝对零度，如此一来连分子振动都几乎停止了，也就不会有分子噪音干扰帆船的平衡。但是经验老到的船长们知道还有另一种保持帆船直立的办法：那就是把帆船推入狂怒的热力学浪潮里。

日常生活中我们几乎想当然地认为，一艘船在水里比在陆地上更容易保持直立，但是在分子层面上，我们还是需要好好琢磨一下稳定性上升的原因。为了让干船坞里那艘龙骨狭窄的帆船保持平衡，工程师们费尽心力避免任何可能的原子或者分子振动。但是大海里不是恰恰充斥着无数横冲直撞的原子和分子吗？它们就像我们在第1章中说过的台球，无时无刻不冲击着彼此以及胆敢驶入其中的船只。为什么在陆地上一点冲击都受不得的帆船，却能在海里历经千锤百炼而不倒？

答案就在薛定谔提出的“来自无序的有序”里。帆船的左右舷的确会受到来自千亿个分子狂轰滥炸般的冲击。当然，驶入海里的帆船此时已经不依靠它那极度狭窄的龙骨，而是依靠海水的浮力维持着漂浮的平衡。由于帆船两侧受到的冲击数量足够多，所以如果平均来看，船首与船尾，或者左舷与右舷受到的冲击力几乎相同。帆船在海中之所以没有倾覆，恰恰是由于受到千亿分子振动的狂轰滥炸：这就是所谓的“来自无序（无数分子的随机冲撞）的有序（帆船的直立状态）”。

但是，即便是在海洋上帆船也是有可能倾覆的。我们想象如果船长把船开到了一片刮着狂风暴雨的海域，却忘记拉起船帆。暴风雨中冲击帆船的浪头已经不再是随机的了，船身一侧涌来的浪头能够轻易掀翻摇晃的帆船。这时候老到的船长知道如何提升船的稳定性：他会拉起船帆，借风的力量来保持船体的平衡（见图C-2）。(www.xing528.com)

生命就像一艘船，狭窄的龙骨植根于量子岩层，因此它可以利用量子现象，比如量子隧穿或者量子纠缠维持自身的存在。在这种情况下，热力学风暴（也就是分子噪音）有助于活细胞维持与量子世界的联系，而不是破坏它的量子相干性。

图C-2　生命航行在经典与量子世界交界的边缘上

这种方式乍看之下又让人感到匪夷所思。我们可能会觉得，不可预测的强风对摇摇欲坠的帆船来说应当是灾难而不是助力——尤其是风暴的气流和阵风并不会随机，而总是从同一个方向推搡船体。但是老到的船长会通过调整帆和舵的角度，用气流和水流来对抗阵风，修正船体一侧出现的倾斜。通过这种方式，船长得以驾驭暴风骤雨，在海面上保持帆船的稳定。

生命，就如同上面比喻中的帆船，它穿行在经典世界风暴肆虐的大洋上，由甲板上一位老练的船长保驾护航：我们的遗传代码，在经过将近40亿年进化的打磨后，已经无惧于航行在任何经典世界和量子世界的海域里了。生命的帆船不用逃避粒子暴风雨的降临，而是能够迎难而上，用风暴的怒号和呼啸填满扬起的船帆、维持船体的直立。只有这样，狭窄的龙骨才能穿透热力学海洋，与量子世界保持联系（见图C-2）。生命深入的根基让它能够驾驭那些徘徊在量子世界边缘的怪异现象。

这样的比喻是否加深了我们对生命的理解呢？行文至此，我们无法再继续回避一个更深一步的推测了，但是我们要强调，这完全只是一种推测。还记得我们在第1章里提到过生命与非生命之间有什么差别的问题吗？人们曾经把这种差异归结为灵魂，而死亡则是灵魂离开生命的躯体。笛卡儿的机械论抛弃了活力论以及灵魂的说法，至少他认为，动物和植物不具有灵魂。[87]但是生与死到底有什么差别却依旧是个谜。我们对生命的新认识能够让量子力学取代灵魂的位置吗？不少人会质疑这种想法把传统科学推向了伪科学甚至灵性学说的范畴，令科学蒙羞。但是那并不是我们在此讨论这个问题的本意。恰恰相反，我们希望用现有的科学理论（哪怕还不是很多）取代对生命的神秘主义和形而上学猜测。

在第1章里，我们把生命维持自身高度有序性的能力比作台球桌中心的三角框，在这个类似热力学体系的区域里，任何不按照特定节拍震荡的台球都会受到框里其他台球的阻尼影响而最终合上节奏。你已经知道许多生命运作的过程了，所以现在你能明白，生命就像一台复杂的分子机器。生命有序性的自我维持需要依靠酶、色素、DNA、RNA和其他生化分子的协同合作，而这些生化分子的性质则多数建立在诸如隧穿、相干性和纠缠态等量子现象上。

我们在这一章里提到的那些最新证据表明，生命具有驾驭热力学暴风雨的非凡能力。宏观世界的生命之舟借助热力学暴风的力量，维系着自己与更深层量子世界之间的联系。由于这种联系的存在，一些在甲板上发生的宏观现象有着它们更深层次的量子原因。那么如果热力学风暴来势太猛，吹断了生命之舟的桅杆，又会发生什么呢？生命将无法再利用热力学的阵风和气流（也就是白噪音和有色噪音）来维持船体的平衡，细胞会受到内部巨浪的连番冲击，我们假想的生命之舟在宏观世界的海洋上风雨飘摇，最终失去与量子世界之间的联系（见图C-3）。

死亡可能意味着生命丧失了有序的量子力学性质，生命之舟在海上徒劳地抵抗着热力学的风暴。

图C-3　生命的死亡

没有了这种联系，量子相干性、纠缠态、隧穿以及叠加态都无法再对细胞的宏观行为施加影响，与量子世界失联的细胞将沉入热力学海洋动荡的洋流里，最终变成彻头彻尾的经典物体。现实中，如果一艘船沉没，那么没有暴风雨能让它再浮出海面。也许同样的道理对生命也适用，如果生命不幸被分子运动的狂风暴雨擒获而沉入海洋，那么风暴就再也无法让它重见天日、恢复与量子世界的联系了。

量子生物学的力量

风暴也许不能让沉没的船重见天日，但是人类可以。人类的创造力远远胜过自然界的随机力。比如在第8章中我们讨论过，如果纯粹依靠运气，那么当一场龙卷风刮过一个垃圾场时，蛮横的风力把垃圾场里的废品组装成一架喷气式客机的可能性在理论上存在，但是小到几乎没有意义。相比之下，人类的航空工程师能够准确地造出一架飞机。那我们是不是也能组装出生命呢？我们在书中多次指出，至今没有人能够用纯化学的手段和物质创造出生命，按照理查德·费曼著名的论断，这意味着我们还没有完全理解生命现象。不过，或许新兴的量子生物学可以为我们提供创造生命的手段，甚至还有革命性的生物技术。

生物技术对我们而言肯定不陌生，至少它为我们提供所需的所有食物——农业就是生物技术的一种。此外，我们还需要生物技术为我们加工食物，如面粉做成面包、牛奶发酵成奶酪、大麦和果汁酿成酒，这些都依赖于真菌和细菌的作用。不只是活细胞，我们的现代社会同样从死去细胞的提取物中获益。玛丽·施魏策尔在研究中利用酶分解恐龙的骨骼成分。此外，不同种类的酶还被用于天然纤维的分解和生物去污剂的生产，前者的产物是纺织衣服的原料，而后者则是清洗衣物的利器；市场份额巨大的生物工程和制药产业生产着品种数以百计的自然产品，其中包括保护人体免受微生物感染的抗生素；能源产业依靠微生物把过剩的生物质转化为生物燃料；许多现代社会依赖的材料，比如木材和纸，也是死去生物体内的成分；与此类似的还有为我们居所供暖、为我们的汽车提供动力的化石燃料。所以即使到了21世纪，我们对自然界生物的依赖依旧没有减少，哪怕有些生物生活在数百万年前。如果你还是对这种依赖持有怀疑态度的话，可以读一读科马克·麦卡锡（Cormac McCarthy）的《路》（The Road），在他那部反乌托邦的小说里，麦卡锡描绘了一幅由于人类的粗心大意、生物技术崩溃而导致的末日荒芜景象。

但是现有的生物技术有它自己的局限。比如说，虽然——相信你已经发现了——光合作用中某些步骤的效率非同一般地高，但是其余多数反应步骤的效率却不能相提并论，所以总体上来说，我们在农业生产中收获的化学能相比于光合作用固定的太阳能，其能量转化效率依然非常低。能量转化效率低下的原因在于植物和微生物与人类的想法不同：能量的固定和转化不是它们生存的全部，它们还要完成一些与之无关的“杂事”，比如植物需要开花结果。这些“杂事”与固定能量无关，但对它们的生存延续至关重要。微生物也类似，它们需要“浪费”能量来分泌抗生素、酶或者其他药用分子，自然选择和进化强迫微生物产生这些对人类来说不必要的产物，强迫它们分裂出另一个人类不需要的微生物细胞。

那么我们能按照自己的意愿改造生命吗？我们当然可以，人类已经成功地把野生的动植物驯养成家养的农作物和牲畜，以便最大化利用这些生物资源并从中获益。虽然人工选择成功地让植物种子变得更大，动物变得更温良、更适合放牧，但是它依然不是尽善尽美的：我们无法筛选自然界没有的东西。举个例子，由于密集的农业耕作，每年有数十亿美元被用于购买肥料，补充土壤中的氮元素。而豆科植物，比如豌豆，由于它们根部的共生细菌能够直接从空气中固定氮元素，所以它们不需要额外施加氮肥。如果我们能让禾谷类作物也拥有固定氮元素的能力——就像豌豆一样——那么农业生产的效率将得到巨大的提高。不过，事实上没有禾谷类作物天生就能固定氮。

不过，哪怕是这种局限性也可以在一定程度上被克服。20世纪末兴起了对植物、微生物甚至动物进行的基因操纵（基因工程）。今天，许多主要的农作物都是经过基因工程改造的抗病、抗除草剂株，比如大豆。此外，科学家正在努力把固氮基因插入到禾谷类作物中。生物工程产业制造的药物以及抗生素也需要依赖转基因微生物。

即便做到这一步，生物技术依旧不是万能的。遗传工程在多数情况下只能把一段基因从一个物种转移到另一个物种。比如，水稻的叶子可以合成维生素A（β胡萝卜素）而种子不能，维生素A对维持正常的免疫系统功能和视力具有重要作用，所以在许多以水稻作为主要作物的贫困发展中国家，维生素A缺乏导致了数百万儿童失明或者死于感染。

20世纪90年代，弗莱贝格工业大学的彼得·拜尔（Peter Beyer）与苏黎世联邦工业大学的英戈·伯特里库斯（Ingo Potrykus）将两个合成维生素A必要的基因——一个来自水仙，另一个来自细菌——插入到水稻的基因组中，使水稻的种子能够合成大量的维生素A。由于它的种子呈现金黄色，所以拜尔把这种转基因作物命名为黄金大米（Golden rice）。黄金大米可以为儿童提供每天基本的维生素A。虽然基因工程是一项非常成功的技术，但它依旧只能用已有的基因对生命进行修补。针对这个局限性，旨在设计全新形式生命的合成生物学（synthetic biology）为生物技术带来了真正的革命。

合成生物学中有两种互补的技术手段。“自上而下”的手段在我们介绍基因组测序先驱——克雷格·文特尔时已经见识过了。文特尔和他的团队用化学手段合成并替换了支原体的全部基因组，他们这个工作“合成了生命”。合成和置换的手段让他们有机会对支原体的基因组进行相对微小的修饰。

但是无论如何修饰，支原体依旧是支原体：它的生物学特性没有发生太大的变化。文特尔和他的团队雄心勃勃地计划在未来的几年内对衣原体逐步完成一些更激进的改造。但是不管怎么说，他们没有创造出新的生命：他们依旧只是在改造已经存在的生命。

而“自下而上”的手段则不同：它的目标是用纯化学的手段合成全新的生命形式，而不单单是改造已有的生物体。许多人认为，对这种手段的研究是在冒险，甚至是对生命本身的亵渎。撇开这些担忧不说，这种手段真的可行吗？事实上不是不可能。在某种程度上说，生物体（比如说我们）只不过是极度精密的机器而已。只要是机器，就可以通过逆向工程的方式研究其设计原理。一旦弄清设计原理，我们就能够制造出更好的机器。

从头开始制造生命

自下而上手段的支持者狂热地梦想着创造全新的生命来改变我们的世界。就像今天的建筑师在他们的工作中狂热地笃信可持续性一样：可持续的住宅、可持续的办公室、可持续的工厂甚至可持续的城市。但是，虽然现代的建筑、城市常常号称自己是可持续的，它们的存在却要归功于另一种真正自我可持续的努力和技术，这些努力和技术来自人类：当屋顶的瓦片被暴风雨刮掉时，你会请建筑工人爬上屋顶修补；当家里的管道漏水时，你会打电话叫管道工人；当你的车在路上发生故障时，你会找人把车拖走去找机修工。我们的房子、机器在风雨等自然环境侵蚀下受到损伤，最终都需要人类手动的保养和维修。

而生命则不同：我们的身体可以通过不断地更新、替换和修复损伤或破旧的组织维持自我稳定。我们一生都可以维持身体的自我可持续性。近些年来，现代建筑师在设计许多地标建筑时都试图借鉴自然界生物的特征。比如，诺曼·福斯特（Norman Foster）根据维纳斯花篮海绵（一种六放目海绵，而不是花）设计的六边形大楼——“小黄瓜”（Gherkin）——从2003年开始就耸立在伦敦的天际，它的六边形结构可以有效地分散建筑物承受的压力。米克·皮尔斯（Mick Pearce）设计的、坐落于津巴布韦首都哈拉雷的东门大厦（The Eastgate centre），模仿了白蚁丘的空气流通结构，为大楼提供了优良的通风和散热条件。蕾切尔·阿姆斯特朗（Rachel Armstrong）是格林威治大学建筑研究小组AVATAR[88]的副主任，她有一个更大胆的想法：她想要建造真正的可持续性大楼——终极的生物数字建筑。除此之外，她还有许多奇妙的构想，比如用具有自我可持续、自我修复和自我复制能力的人工活细胞设计和建造楼房。这样的建筑物如果受到狂风、暴雨或者洪水的损坏，它们会像生物体一样觉察到损伤并进行自我修复。

阿姆斯特朗的想法可以抛砖引玉，引申到其他生物技术上。生物材料还可以应用于修复学，比如人造假肢或者关节，让它们就像真正的人类组织一样，拥有自我修复和对微生物侵袭免疫的能力。人造生命体甚至可以被注射入人体内执行任务，比如用于杀死癌症细胞。通过定制的合成生命体，一些进化史上从没出现过的药物、燃料和食物都可以制造出来。如果再往远说，未来还可能出现科幻世界中的生物机器人，它们将人类从无意义的社会劳动中解放出来，乃至开拓火星殖民地，或者帮助人类建造出用以探索银河系的宇宙飞船。

自下而上合成生命体的想法可以回溯到20世纪初，法国生物学家史特凡娜·吕代克（Stéphane Ludec）曾经写道：“正如合成化学的起源是人工合成最简单的有机物质一样，生物合成技术的最初阶段应当从制造最原始的生命体开始。”不过我们在第8章中讨论过，哪怕世界上现存“最原始”的细菌，也由数千个不同的部分构成，每一种成分的复杂程度都远远超出了自下而上生物合成技术的能力范围。生命在发展之初一定比细菌要简单得多。在第8章里我们说过，目前对我们祖先最有可能的猜测是：生命起源于一种被囊泡包裹、能够自我复制、具有酶活性的RNA或者蛋白质，它们构成一种简单原始的细胞结构，被称为原初生命体（protocell）。我们对第一个原初生命体（如果它真的存在）的性质依旧一无所知。许多科学家相信原初生命体栖身于岩石表面微小的气孔里，通常这些岩石的气孔里充满了供养生命的简单生化分子，比如在第8章中伊苏地区的岩石。也有科学家认为，囊泡或者液滴状的原初生命体漂浮在宽广的原始海洋上。

许多自下而上合成技术的拥护者受到生命起源理论的启发，试图在实验室模拟的原始海洋中制造出活动的人工原初生命体。形式最简单的人造液滴大概就是水中的油滴或者油中的水滴了。它们非常容易制作：事实上你每次调沙拉酱的时候就做了无数个这种液滴。众所周知，水和油互不相溶，两者极易分层。但是如果加入一种同时亲水和亲油的物质——我们称之为表面活性剂（surfactant）——比如芥末，再充分地混匀，一份沙拉酱就做好了。虽然沙拉酱看起来均匀光滑，不过实际上它的内部悬浮着无数稳定存在的水油液滴。

南丹麦大学的马丁·汉兹（Martin Hanczyc）用经过去污剂稳定的油水液滴成功制作了一种原初生命体类似物。他的方法非常简单，通常只需要五种化学成分。这些成分只要按照合适的比例混合，就会自动组装成油性液滴。液滴内会发生一些简单的化学反应并驱动原初生命体向周围环境运动，运动的原动力来自对流（热循环）以及油滴分子之间的相互吸引力。这些液滴甚至可以从周围直接吸收原料，不断进行简单的“成长”过程，并最终通过一分为二的方式完成“自我复制”。

汉兹的原初生命体具有亲油的内环境和亲水的外环境，相当于内外颠倒的活细胞。而多数研究者会选择制作内部亲水的原初生命体，这使得他们能够向人造原初生命体内添加水溶性的生化分子。比如2005年，遗传学家杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）将亲水性的核酶成功导入原初生命体。我们曾经（在第8章）介绍过核酶是一种和DNA一样携带遗传信息的RNA分子，同时它还具有酶的催化活性。绍斯塔克的研究小组发现充满核酶的原初生命体具有简单的遗传行为，它也能够像汉兹的原初生命体一样进行分裂。2014年，荷兰内梅亨大学一个由塞巴斯蒂安·卢康曼督（Sebastien Lecommandoux）领导的研究小组成功制造了另一种原初生命体，他们的原初生命体内不同的区域填充了不同的酶，一个区域内的酶催化活动能通过级联效应[89]影响另一个区域，这是对活细胞内代谢过程的简单模拟。

这些动态变化的、具有化学活性的原初生命体的确非常有趣和惊人，但是它们真的是生命吗？为了回答这个问题，我们必须在生命的工作定义上达成共识。显而易见，生命能够自我复制，虽然这个回答在多数情形下足以区分生命和非生命，但它却是不必要条件。成年人体内诸如血红细胞和神经细胞的大多数细胞并不会复制，但毫无疑问，它们都是具有生命的活细胞。甚至包括佛教徒和天主教的神父在内的全人类，都（一般）不会纠缠或者过度关注烦琐的“繁殖”问题，但是它们是货真价实的生命。所以，虽然自我复制对于生命长远的生息而言至关重要，但是它并不是生命存在的必要条件。

生命确实有一个比自我复制更本质的特征，一个我们在前文已经讨论过、也是仿生学建筑师们所孜孜追求的特征：自我可持续的能力。生命具有维系自身生存状态的能力，所以如果要将自下而上技术创造的原初生命体归为“生命”，我们的最低要求应当是这些产物可以在混沌的热力学海洋里维持自身的可持续性与稳定性。

不幸的是，如果用这个更狭隘的定义去衡量，那么现今创造的所有原初生命体没有一种能算得上是生命。即便是那些有点小伎俩的，比如能够完成简单自我复制（一分为二）的原初生命体，它们产生的子代个体与亲代个体也不完全相同：组成亲代的初始物质，比如核酶或者蛋白酶，在子代个体中会越来越少。所以随着复制的不断进行，这些成分终将在子代个体中消耗殆尽。类似的，虽然卢康曼督小组创造的原初生命体可以完成对活细胞代谢的简单模拟，但是它们同样无法靠自己合成和补充催化这些代谢过程的生物大分子。现阶段的原初生命体更像是上紧发条的钟：在起始阶段它们需要外界给予的酶以及底物支持，以维持其化学反应状态，随着物质消耗，它们也逐渐停止运转。起始阶段的物质消耗完之后，周围环境中的分子运动不断干扰和侵蚀原初生命体，使它的内部组织性趋于混乱和随机，直至变得与周围环境没有差异。目前的原初生命体不是真的生命：它们不能给自己上发条。

是现在的原初生命体还缺乏什么必要的成分吗？合成生物学这个领域无疑还非常年轻，它在未来的十年里很可能会有飞跃性的进步。在本书的最后这部分中，我们想要探讨一个想法：量子力学就是原初生命体中缺失的部分，它也是合成真正生命的关键。量子力学的介入不仅提供一种革命性的技术，同时也为那个古老问题（生命是什么）提供了新的洞见。

我们，以及其他一些科学家，都认为热力学远远不足以理解生命现象，无法解释生命为什么能够驾驭量子力学现象。我们相信——生命现象——需要量子力学的解释。但是我们是否正确呢？

当前的技术水平无法让我们对这个问题做出判断，因为我们无法对细胞中的量子力学现象进行操作。但是，我们在此预测，无论是自然还是人造的生命，都无法脱离我们在本书中讨论的、怪异的量子力学性质而存在。判断我们这种观点对错的方法只有一个，那就是用合成生物学创造出具有（未必可能）和不具有量子性质的合成生命体，然后比较两者孰优孰劣。

理解生命，创造生命

我们来想象用完全非生命的物质创造一个简单活细胞的过程。这个细胞只能完成一些十分简单原始的任务，比如在实验室模拟的原始海洋中寻找食物。我们的目标是用两种方式制造这样的细胞。一种细胞会借助量子力学的怪异特性——我们称它为量子原初生命体（quantum protocell）；另一种细胞则不借助量子力学——我们称它为经典原初生命体（classical protocell）。

塞巴斯蒂安·卢康曼督实验室里分区、被膜的原初生命体是一个很好的工作起点，不同的分区可以对应和负责细胞不同的生理功能。接下来，我们要为原初生命体提供能量：不如我们就用来源丰富的高能光子，也就是用阳光作为它的能量来源。所以我们需要往原初生命体内的其中一个区域装填色素分子以及用于固定色素分子的骨架蛋白，有了这些太阳能电池板，这块分区就能够捕捉光子并将光子的能量转化到激子中，俨然一个人造的叶绿体。但是，随意堆砌的色素分子并不具有自然界光合作用那么高的能量传递效率，因为高效的能量传递需要有序排列的分子通过量子相干性实现。所以我们必须调整色素分子的排布，让相干波能够在整个体系中传播无阻。

2013年，量子光合作用研究的先驱、芝加哥大学的格雷格·恩格尔领导他的团队，用化学方法把色素分子以一种整齐排列方式锚定在一起。他们发现，与恩格尔当初在海藻的FMO复合体中检测到的一样（见第3章），这种人造的色素系统也具有量子节拍和相干性，并且其相干性可以在常温下维持长达数十飞秒。因此，为了给量子原初生命体中的太阳能电池板提供源源不断的相干性激子，我们为它装入恩格尔实验室的锚定色素分子。相同的叶绿素分子被装入经典原初生命体内，但是它们以随机的方式排列。激子需要在色素分子之间摸索寻找出路。通过这样的对比，我们就可以知道量子相干性对光合作用来说到底是否必要。

不过，我们已经知道光能固定只不过是光合作用的第一步，下一步我们需要把激子中不稳定的能量转化为更稳定的化学能。好在这个问题也已经有人先于我们一步考虑到了。2013年，斯库利的团队在发表的论文中指出光合反应中心的原理类似于量子热机，他们进一步认为这种生物量子热机可以为构建更高效的原初生命体提供灵感。当年的晚些时候，剑桥大学的一个团队接受了他们的观点并且完成了一张详细的设计蓝图，用以阐明如何构建一个利用量子热机工作的原初生命体。这个团队在恩格尔实验室的锚定色素分子体系基础上，制作了一个光合作用反应中心的模型，结果显示这个系统中电子向受体分子传递能量的效率居然超过了卡诺极限，并正好与斯库利团队对自然界光合作用能量效率的估计值契合。

所以，让我们设想将恩格尔实验室的量子太阳能电池板，安装到剑桥大学团队制作的反应中心模型上，这样一来前者中充能的电子就可以把能量转化为后者中稳定的化学能。同时，我们依旧为经典原初生命体设计一套类似的转化系统，只是它不遵循量子力学的原理，也无法超越卡诺极限。这一步完成之后，一旦光能被原初生命体捕获就可以被用于合成复杂的生物分子，比如细胞中的色素。

不过在我们身体的细胞中，生物合成反应需要的电子与能量主要来自呼吸作用（见第2章）。作为弥补，我们将原初生命体中光合作用获得的一部分高能电子转移到一个作为“发电厂”的区域，让电子在这个区域模拟自然条件下呼吸链中的电子传递——通过隧穿从一个酶跳跃到另一个酶。电子传递的结果是生成ATP，它是细胞中的能量载体。当然，出于同样的目的，我们这样设计是为了构建一个执行呼吸作用的区域，并探索量子力学在呼吸作用中的重要性。

有了电子供给和能量，现在我们的量子原初生命体已经有能力合成它自身需要的生化分子了。但是，它还缺乏原材料——它需要食物。所以我们在实验室模拟的原始海洋中溶入葡萄糖，以这种单糖作为其食物来源。加入葡萄糖之后，我们必须给原初生命体装备上ATP驱动的葡萄糖转运体，这种耗能的转运体可以把葡萄糖泵入细胞内。此外，我们还需要向原初生命体导入另外一系列酶，这类酶可以通过组织原子的排布（从量子的水平上）合成复杂的生化分子。我们在第2章探讨过，正常情况下，酶的催化过程需要依靠电子和质子的量子隧穿效应。不过在这里，我们的目标是构建两套酶系统，分别借助和不借助量子力学。如此一来，我们就能通过比较发现生命的引擎是不是真的需要量子力学作为润滑剂。

我们希望量子原初生命体还具有另一种特征，那就是能够利用分子噪音维持自身量子相干性的能力。但是眼下，我们对于生命究竟是如何利用分子噪音的几乎一无所知，所以我们也就不知道应当如何进行设计。有很多因素可能与分子噪音的利用相关：比如说，细胞内极度拥挤的分子环境被认为会调节和影响许多生化反应，它也可能帮助限制分子的随机冲撞。所以，我们把原初生命体装得满满当当以模拟细胞内拥挤的分子环境，希望这样的设计能够让它在热力学的海洋上利用分子噪音乘风破浪，维持自身的量子相干性。

不过即便如此，我们的原初生命体也还只是一艘资源贫乏的船，船上所有的补给都需要在启航前预先装载。为了让它能够自力更生我们还需要划分出一个新的区域：控制室，里面需要一整套DNA组成的人造基因组编码它所需的所有信息。同时还有另外一整套把量子水平上的质子密码翻译为蛋白质的转录机器。这与克雷格·文特尔自上而下的合成方式类似，区别只是我们把人造基因组插入到本没有生命的原初生命体内。最后，我们甚至可以给原初生命体装上导航装置，也许一个分子鼻子可以让它定位到食物的位置，我们在第4章中介绍过，分子鼻子上的嗅觉感受器利用量子纠缠感知气味。探知到食物之后，原初生命体在原始海洋中用分子马达推动自己前进。我们甚至可以为它装备像知更鸟一样的定位系统，让它在实验室模拟的原始海洋里远走四方。

其实上述的内容不过是一种生物学狂想——并不比莎士比亚《暴风雨》中的小精灵埃里尔真实多少。出于叙述的方便性和内容的易懂性，我们省去了大量的细节，因而没有能够提及现实中自下而上的合成生物学所面临的巨大挑战。即使真的有人想要尝试这种自下而上的合成手段，他们也无法一次性完成上面那份生命配方中的全部过程，第一步的尝试应当把最简单或者理解最透彻的过程——很可能是光合作用——导入到原初生命体中。如果这种导入能成功那自然是一个伟大的成就，此外，这也将是一个研究量子相干性在光合作用中到底扮演何种角色的理想模型。一旦这种尝试成功，接下来要做的就是不断地加入其他的成分让原初生命体的复杂性逐渐提升，功能不断完善，直到最终制造出可能的人造生命。不过我们在前文中有过预测，人造生命的合成必须遵循量子力学的原理：我们相信，没有量子力学，就不会有生命。

如果上面叙述的所有条件都得到满足，那么也许最终我们真的可以创造出生命。这样的进步将给技术领域带来革命性的变化：人造生命能够同时航行于量子与经典世界的边缘。人造生命可以用来设计和建造真正的可持续大楼；可以用于修补和替换损伤或者破旧的组织。我们在本书中所有有关量子力学奇特性质的探讨，从光合作用到酶的催化反应，从量子鼻子到量子基因组、量子指南针或许还有量子大脑，都可能成为构建全新世界的基石，在量子合成生物学极度发展的未来，人造生命或许可以将它们通过繁殖带到世上的人类从繁重的工作中解脱出来。

不过，这一切最重要的意义或许在于，从尘世中创造出生命的能力终于让生物学能够回应费曼那句著名的格言了：“凡是我们做不出来的，就是我们还不理解的。”如果有一天，人造生命真的成为了现实，那意味着我们终于理解了生命的本质，我们终于目睹到，生命驾驭着混沌之力，在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上，乘风破浪。

虽然你们不过是些弱小的精灵，但我借着你们的帮助，

才能遮暗了中天的太阳，唤起乱作的狂风，

在青天碧海之间激起浩荡的战争：我把火给予震雷……

——莎士比亚《暴风雨》