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物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？( 五 )


为了确定在给定的步骤中 ， 到底要应用256种规则中的哪一个 ， 他们将生物体元胞自动机的元胞捆绑成相邻的三联体——000、010、110等等 ， 并将每个三联体的相对频率与环境元胞自动机中的相同模式进行比较 。 这样的安排就改变了更新规则 ， 使其既是生物体状态的函数——使其具有自指性 ， 也是环境状态的函数——使其成为一个开放的系统 。
Adams 和 Walker 在电脑上进行了数千个案例研究 ， 以寻找有趣的模式 。 他们想要识别出既开放——生物体不会很快回到其初始状态——又创新的演化行为 。 创新在这个语境下意味着 ， 观察到的生物体状态序列永远不会出现在从任何初始状态开始的、具有256种可能的固定规则的元胞自动机中 。 这就好比在修改版本的国际象棋游戏中 ， 四个主教最终出现在相同颜色的方格中 。
虽然这种开放、创新的行为很罕见 ， 但还是出现了一些明确的例子 。 这个过程花费了大量的计算时间 ， 但 Adams 和 Walker 的发现足以让人相信：即使在他们的简单模型中 ， 依赖于状态的动力学提供了通往复杂性和多样性的新路径 。 他们的研究表明 ， 仅仅处理信息比特是不够的 。 为了捕捉生物学的全部丰富性 ， 信息处理规则本身也必须演化 。
4 量子边缘的生命
如果生物学运用了新物理 ， 比如依赖于状态的动力学规则 ， 那么它在简单分子和活细胞之间的哪个位置出现呢？元胞自动机模型或许具有指导意义 ， 但它们是卡通 ， 不是物理；它们不会告诉我们去哪里寻找涌现的新现象 。 事实上 ， 物理学中已经包含了依赖于状态的动力学的一个熟悉例子：量子力学 。
在孤立的状态下 ， 由相干波函数描述的纯量子态会以可预测的方式演化 ， 遵循一个众所周知的数学公式——幺正演化（指量子态随时间演化时 ， 其波函数在任何时刻都将保持归一化 ， 即在空间中找到粒子的总概率等于1 ， 是守恒的） 。 但是当进行测量时 ， 量子态会突然改变——这种现象通常被称为波函数的坍缩 。 在理想测量中 ， 波函数坍缩会将系统投射到与被测量的可观测量相对应的一个可能本征态上 。 在这一步 ， 幺正演化规则被玻恩规则取代 ， 后者预测测量结果的相对概率 ， 并将不确定性引入量子力学 。 这标志着从量子到经典领域的转变 。 因此 ， 量子力学能告诉我们是什么让生命运转吗？
薛定谔在他著名的都柏林演讲中曾求助于量子力学来解释遗传信息存储的稳定性 。 在克里克和沃森阐明 DNA 结构之前 ， 薛定谔曾推断 ， 信息必须在分子水平上存储于他所谓的“非周期性晶体”（不具有周期性规则排列的晶格结构 ， 但衍射图样有锋锐的尖峰）中 ， 而这最终被证明是对作为遗传物质载体的核酸聚合物的一个直观描述 。 然而 ， 一种可能性仍然存在 ， 那就是量子现象在生物体中或许扮演着更普遍的角色 。
在之后的几十年里 ， 一个普遍的假设流传开来：在生命物质的温暖嘈杂的环境中 ， 量子现象将被扼杀 ， 经典的球棒化学足以解释生命 。 然而 ， 在过去十年左右时间里 ， 人们对一种新的可能性越来越感兴趣——非平凡的量子现象 ， 如叠加、纠缠和隧穿效应等 ， 可能对生命至关重要 。 尽管仍有相当多的怀疑 ， 但科学家目前正对量子生物学这一新领域进行深入研究[15] 。 研究专注于各种各样的课题 ， 如光合作用中的相干能量传输、鸟类的磁感知 ， 还有苍蝇的嗅觉反应 。
在纳米尺度上研究生命物质的量子特性面临着重大挑战 。 对生命运转至关重要的系统可能只有几个自由度 ， 可能远离热力学平衡 ， 并且可能与周围的热环境强烈耦合 。 但正是在非平衡量子统计力学领域 ， 我们期待可能出现新物理 。
一组可能相关的实验是测量有机分子中的电子电导（载流子是电子或空穴的电导） 。 最近 ， Gábor Vattay 和同事们声称 ， 许多重要的生物分子 ， 如蔗糖和维生素D3 ， 都具有独特的电子电导性质 ， 与绝缘体和无序金属导体之间的临界转变点有关 。 他们写道：“这些发现表明 ， 生命物质中存在一种普遍的电荷输运机制 。 ”[16]尽管他们的发现并不能说明量子奇异性可以解释生命 ， 但他们确实暗示 ， 在量子调谐的大分子领域 ， 人们可能会发现薛定谔和他的同时代人所猜测的新物理学的出现 。
5 思想的碰撞
理论物理学家惠勒（John Archibald Wheeler）常说 ， 科学的重大进展更多地源于不同思想的碰撞 ， 而非事实的稳步积累 。 生物物理学处于物理科学和生命科学这两大科学领域的交叉点 。 每个领域都有自己的词汇 ， 也有自己独特的概念框架 ， 物理学根植于力的概念 ， 生物学根植于信息的概念 。 这两者碰撞出的火花预示着一个新的科学前沿 ， 在这里 ， 现在被正式理解为是一个物理量——或者说是一组量的信息占据了中心位置 ， 从而将用于统一物理学和生物学[2] 。
分子生物学在过去几十年的巨大进展很大程度上归功于力的概念在生物系统中的应用 ， 这是物理学对生物学的渗透 。 奇妙的是 ， 相反的事情正在发生 。 许多物理学家 ， 尤其是那些致力于量子力学基础问题的物理学家 ， 主张将信息放在物理学的核心位置 ， 而另一些物理学家则猜测：新物理学潜藏在引人注目且令人困惑的生物体的世界中 。 生物学正在成为物理学的下一个伟大前沿 。


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