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【Gene思書齋】運用量子生物學解開生命之謎

老實說,當我一看到「量子生物學」這名詞時,我還以為又是詐騙 XD

怎麼說呢?量子力學,本來就是個乍看之下很玄的學科,因為有大多觀念和事實是完全違反日常直覺而匪夷所思的,而真的有接觸過量子力學的人又不多,這就給了許多偽科學的倡導者一個好機會,胡亂把量子力學的專有名詞套在一堆超能力、氣場、靈魂、心靈感應等的解釋上,甚至還自創各種似是而非的名詞,所有的亂入又完全沒有任何科學根據,叫嚴謹的科學工作者感到非常反感。

可是一讀了這本認真討論量子生物學的好書《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》Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology),卻真是令人腦洞大開!《解開生命之謎》作者吉姆.艾爾—卡利里( Jim Al-Khalili )和約翰喬伊.麥克法登( Johnjoe McFadden ),一位是貨真價實的量子物理學家,一位是位分子遺傳學家。艾爾 — 卡利里同時也是位著名的科普作家,著有暢銷科普好書《悖論:破解科學史上最複雜的九大謎團》Paradox: The Nine Greatest Enigmas in Science)。

《解開生命之謎》這本好書由學術和科普都有卓越貢獻的兩位科學家來探討,是不可多得的優異作品,不僅生動有趣,連學界人士相信都能從中有不少收獲;因為這是本為生物學家推介量子力學的概念的科普好書,《解開生命之謎》 當然也能當作所有對量子力學感興趣的朋友的最佳參考書,無論對生物學感不感興趣。

神秘又基礎的量子力學

量子力學,是現代物理學和化學的基礎,也是電子、電機、材料、化工等工程學科的基礎,所以這本好書不僅生命科學家讀起來會腦洞大開,相信物理學家、化學家和工師學家等等來讀,也能激發出許多跨領域研究的好靈感!

雖然我不是物理學家,可是大學上普通物理和物理化學時,一定需要學習量子力學的一些基礎,尤其是原子結構等等。對我們這些非物理學家,修習量子力學的部分,常常是需要頗多腦力的,因為量子的世界實在太過詭異。

例如光為何是波又能是粒子?為何粒子能夠同時出現在不同地方?粒子為何能夠穿透障礙?為何基本粒子能夠隔空傳遞能量?總之,量子力學有許多玄妙之處。儘管看似玄妙,這些理論背後,都有堅實的數學基礎,以及紮實的實驗結果,並不是科學家純粹的天馬行空!在數學、實驗及想象力之間達成完美的平衡,讓科學成為最令人著迷和引人入勝的偉大心智活動!

儘管過去有許多物理學家參與推動分子生物學的革命,量子力學似乎就和生物學較不相關。既然這本《解開生命之謎》 探討的是量子生物學,那麼生命系統卻和量子力學有何相關呢?偶爾我們會學到一些量子力學在生醫研究或檢驗上的應用,例如正電子發射計算機斷層掃描(Positron emission tomography,簡稱 PET),或者螢光共振能量轉移(Förster resonance energy transfer, fluorescence resonance energy transfer(FRET))在 DNA 定序新技術上的應用等等。

量子力學是研究微觀世界的粒子,我們很清楚,在我們熟知的世界裡頭,熱力學和古典力學就足以解釋我們生活中遇到的幾乎所有現象了!如果基本粒子是物理的基礎,那為我們不能像基本粒子那樣穿牆或同時出現在不同地方?原因是因為在我們認知的世界尺度中,有量子的相干性,把量子的效應抵消,熱力學的作用遠大過量子力學的效應。

量子力學如何應用於生物學?

不僅是生物學家難以想像量子力學在生物系統上的應用,恐怕許多對生命科感到非常有興趣的物理學家或化學家,大多不知量子力學能夠用來理解生物系統的現象吧?可是《解開生命之謎》這本由一流的物理學家和分子遺傳學家所寫的好書,就提出許多實例,指出量子力學確實能用來理解一些有趣的生物現象,而且比許多其他理論的預測更精準。這整本書談到的,絕對是最嚴謹的科學,比一堆實際壓根兒不懂量子力學的神棍,卻亂用量子力學來招搖撞騙來強行解釋氣場、靈魂、心靈感應等等怪力亂神的東西,還有趣多了!

有些生物能夠感應地球磁場,是廣為大家所知的,我碩士班時就是研究蜜蜂磁場感應的,和物理系的同學一起合作,用磁力顯微鏡和電子順磁共振的方法,分析蜜蜂腹部細胞內的磁鐵奈米顆粒的物理性質。《解開生命之謎》也解釋了有些動物如何感應地球的磁場,使用的居然是量子力學的性質。

《解開生命之謎》也解釋了有些動物如何感應地球的磁場,使用的居然是量子力學的性質!(想不到吧~)圖/By earl258 @ flickr, CC BY-NC 2.0

像是酵素活性、嗅覺、光合作用是生物化學和分子生物學教科書都會詳述的,真沒想到原來它們也都和量子力學有關。例如嗅覺,有些化學結構相似分子,聞起來卻不太相同,可是相反的有些化學結構看似差異不小的分子,聞起來卻很相似,古典理論對這的解釋仍有不足,於是有科學家提出用量子振動理論來解釋,振動頻率接近的分子,聞起來相似,這補足了古典理論無法解釋之處;酵素的活性,卻能夠用量子穿隧效應來解釋,為何酵素能夠降低反應所需的能量;在光合作用中,被光子激發的電子,需要快速地在幾個分子中流到抵達反應中心,這很難用隨機漫步解釋光合作用的高效率,可是用量子力學提出的激子同時經由不同路徑到達反應中心,卻能夠更好地解釋光合作用的高效率。

這些對生命現象更好的解釋,正是物理學和生物學跨領域結合的最佳範例!在將近廿年前,我選擇到清華大學唸生命科學系,也就是我剛就職任教的科系,目標很明確,就是要學習現代生物學。而現代生物學的方法和觀念,並非完全由生物學家建立的,而是由物理學家、化學家、數學家等等其他自然科學家所一同奠定的。清華生科有一半的教授,大學部是非生命科學相關科系出身的,而是主修物理、化學或化工等科系的,這也是清華生科相較其他大學的生物系或生命科學系最特別的一點,跨領域地研究生命科學,更是令我們驕傲的一點。我們大一時,普通物理的上下學期各有四學分,比工學院一些科系上下學期各三學分還多,同時我們也需要修習有機化學和物理化學。

物理化學跨領域合作,破解生命奧秘

雖然如果不讀《解開生命之謎》,還真不知量子力學在生物學上是有應用價值的,可是量子力學之父薛丁格(Erwin Schrodinger,1887-1961)的經典著作《生命是什麼?》(What is Life?),這本演講稿集,旨在引介與探討生命物質的物理基礎,激發了許多物理學家和生物學家。催生了 DNA 結構的發生,並導致分子生物學的誕生,這是一段佳話。

在鈔票上的這位就是薛丁格。By Österreichische Nationalbank (Self-scanned) [Public domain], via Wikimedia Commons

物理學家和化學家一同加入破解生命的奧秘而創立分子生物學的歷史,在非常知名的分子生物學歷史學者賈德森(Horace Freeland Judson,1931-2011)的巨著《創世第八天》(The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology) 中,有很詳盡的描述。這部巨著有繁體中文版的三部曲:《創世第八天:二十世紀分子生物學革命首部曲 DNA》《創世第八天:二十世紀分子生物學革命二部曲 RNA》《創世第八天:二十世紀分子生物學革命三部曲 蛋白質》

如果《創世第八天》探討的是分子生物學的過去,《解開生命之謎》談的就是分子生物學的未來。由這些探討科學史和科學的未來的好書,我們能夠很清楚的得知,跨領域的學習和合作是能夠產生一加一大於二的效果的!未來理工科系的大學生跨科系選修課程,以及研究生和科學家跨科系尋求合作,將會是很有效益的工作。

《解開生命之謎》提到的,相信一定是冰山一角而已,未來分子生物學和量子力學的雙劍合璧的量子生物學相信會產生更多有趣且紮實的研究,甚至量子生物學也會成為許多大學會開設的課程,在這天的到來前,我們先來用《解開生命之謎》來嘗個鮮吧!

本文原刊登於 The Sky of Gene


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關於作者

來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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