2020年9月17日 星期四

解開生命之謎 吉姆.艾爾-卡利里, 約翰喬伊.麥克法登 Jim Al-Khalili, Johnjoe McFadden



1.電子顯微鏡的產生,就是因為發現了電子有波動的特性。電子的波長遠小於可見光的波長。因為當波接觸到物體時,任何比波長還小的物體是不會受到波的影響或是去影響波。

2.中國古代也有類似信仰,認為生命體藉由一種無形的生命力(稱為氣)在體內流動,而擁有生命。

3.一群原子的平均行為是可以預測的,但是單一個分子的行為卻不行。古典物理與化學的定律,都是基於「極大數量的平均」或「規則源自不規則」的原理。

4.牛胃內膜有牛凝乳酶(chymosin)是蛋白酶的一種,可以加速分裂蛋白質,使牛奶可以凝固,分出凝乳和乳清。

5.量子穿隧效應一個主要的特性是,它是靠著自然界的粒子有像波一樣擴散出去的特性而發生的。當一個由很多量子粒子所組成的物體嘗試穿隧時,它必須要讓這些粒子的波動行為一致,也就是波峰和波峰重疊在一起,稱為「同相」(in phase)。

6.(雙狹縫)屏幕上亮紋就是兩個狹縫的波函數彼此增強的位置。而在暗紋的地方,就是波函數彼此消掉振幅的位置。

7.任何我們肉眼可以看見的物體,它們的波長都非常非常小,所以沒有可觀測的效應。更深入來看,你可以想像你身體裡的每顆原子正被圍繞在它周遭的原子所觀察或測量,所以任何精緻的量子特性很快就會被破壞掉。

8.即使沒有偵測到原子也被認為是一種測量,偵測使得原子的波函數和測量儀器中的上百兆顆原子產生交互作用,使的量子相干狀態非常快速滲透出去,然後消失。

9.退相干是因為一顆原子周遭的物質,就是我們說的環境,持續地測量它,使它的行為像一顆古典粒子。一般,量子相干性通常只能存在非常短暫的時間,除非量子的系統可以從周圍的環境中孤立出來,或是降到非常低溫。

10.光合作用系統是獨一無二的,因為它是自然界唯一可以將水「燃燒」提供電子出去的作用。

11.合成葡萄糖酵素:核酮糖-1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBisCO)。它可能是地球含量最豐富的蛋白質,執行最重要的工作:製造幾乎所有世界上的生物質。

12.直立猿人將鼻子遠離地面這個充滿氣味的地方,對較高的位置來說,視覺和聽覺更有效率及優勢,變成他主要的訊息來源。所以人類的鼻子變短,鼻孔變小,人類也失去了其他動物都有的輔助嗅覺:犁鼻器(VMO)或稱為賈可布森器(Jacobson's organ)。它的主要功用是偵測性別的費洛蒙。

13.到目前為止,非彈性的電子穿隧,是當前所知唯一能夠解釋蛋白質如何偵測到嗅覺分子振動的機制。

14.嗅覺的重大謎團,是嗅覺受體的結構。目前還沒有人成功隔離出嗅覺受體分子可以去研究它的量子力學機制。

15.盧瑞亞和德爾布呂克發先,突變速率不受環境選擇的壓力影響,贏得了1969年諾貝爾獎。

16.質子跳到氫鍵的另一側,它們會更接近對面的鹼基,導致鹼基形成另一種形式,就是所謂的「互變異構物」(tautomers),使A能接G,T能接C。

17.古典電腦能力的增加是隨位元的數目,以線性的方式來成長。量子電腦若能維持量子位元內的量子相干與纏結,使2倍的指數增加效率。但是這也會使得維持量子相干與纏結的困難度加倍,原子必須要更冷。

18.場所能做的是去協調神經的發射:換句話說,讓許多的神經元到達同步,所以它們會全部一起發射。這個發現主張,由神經的發射所產生的大腦自己的電磁場,也會影響神經的發射,提供一種自我參照的迴圈,是許多理論學家所認為的意識的本質成分。





心得
20200917
本書符合我找尋的知識,看到即借閱之。希望藉由此本延伸閱讀更多量子生物學。不過目前科普專書似乎仍然很少。知道薛丁格,以及2012以降愈多科學家進入研究量子生物學,讓我開心不少。我最早領悟到量子與生命、意識有關,大約是在2018,看完「跟著霍金上太空」自己想到的。
歐洲知更鳥能偵測磁極離地角度是本書引言,想必與量子理論有關,但是還沒看到。量子理論運用在生物體內,一大難題是生物體內潮濕(充滿液體),與複雜分子,分子量大(或質量大)的粒子很難表現出量子特性。
之前在「生命之源」看到粒線體電子傳遞鏈是量子穿隧效應,不明所以。在這本看到了解釋,原來170K左右溫度以下還能穩定速率進行粒線體功能,而使用氫的同位素(質量較重)果然成比機率下降,確實說明有穿隧效應。在不同書看到知其所以然真是不錯。

20200918
五官中竟然是嗅覺最難解釋。人類遠祖爬行動物,最大量依靠嗅覺,身高逐漸變高依序發展聽覺與視覺。視覺是最後發展的器官,在現代社會給我們最多的資訊。但是最晚發展出來,生物個體已經很複雜了,大部量子效應早已去相干性了,所以視覺幾乎是分子生物學就能解釋清楚。愈初期的感官器官像是嗅覺,或愈古老的化學反應像是光合作用,愈會有高比例的量子效應,反而在現代愈難解釋清楚它的機制。這樣該說鼻子是基礎還是尖端呢?這樣的想法是合理的,在光合作用實驗中已經證實,卻是我以前沒有想過的。真是學習了。

200200921
關於基因的高精確性,本書提出了量子相關的說法「量子躍升」。指的是正常形式下,質子在AT中的氫鍵位置,但有時發生量子躍升,會變成互變異構物,質子跑去親近另一邊。當拆開時,這種異構物就能使得A和C鍵結,TG鍵結。但互變異構物形式約站整體鹼基0.01%,仍然遠高於十億分之一的突變比例,這點書中認為是有校正程序。這是一個可能說法,可以參考。

而對於意識他們也有探討。這部分我以前的想法「意識場」由蛋白質的振動產生,與書中多有重和之處。不過自然界並沒有「意識場」這種場的理論,我是為了自己解釋理論方便而引用這個觀念。書中大概念相同,認為是神經細胞旁的microtube,大概就是神經膠細胞的振動,引起「磁場」,直接就是電磁的磁場,然後當神經細胞觀測時,磁場中的波函數會塌陷,剩下的形式就形成意識。

至於在生命如何開始的,他們在太古濃湯理論的基礎上,用量子疊加態的理論去解釋。意思是各種隨機的氨基酸排列為疊加態,可同時出現。但是當排列變成是可自我複製狀態時,他自我複製了,等於有被觀測,於是疊加態消失留存自我複製的形式(可能是rRNA)。這樣的說法我仍是覺得有點牽強。等於什麼都推給量子的不確定性。生命最初我是比較支持尼克・連恩的說法,是在有地殼滲漏出的礦物半透膜造成濃度梯度,放大化學速率,製造出最初的氨基酸與細胞膜的。雖然最最初的酵素怎麼來的說法仍不確定,但是我傾向揚棄太古濃湯理論。

總結本書,驗證我的想法,儘管細節不同。我相信意識的產生與量子肯定是相關的,而生命的產生還沒有一個想法,需要更多的文獻與理論。其他的,本書看到的知更鳥羅盤、光合作用、DNA中的量子解釋真的是增長知識了。大體上我的生命知識是建構起來了,能更好的話希望有更多的量子生物學資料可以閱讀。

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