现代量子生命的三要素 正如富勒烯的特性一样，不同的量子结构就会产生不同的现象，量子具有很多神奇的效果。量子似乎是生命与物质的分界线，量子是一种从物质到生命的中间状态，在宇宙演化中，从量子开始，一方面向物质演化，一方面向生命演化。 蛋白质病毒是一种奇怪的病毒，因为传统上认为基因DNA或者RNA才是遗传物质，而蛋白质病毒能够复制、繁殖。我们会提出疑问，蛋白质在细胞与生物体中的作用是传统的定义吗？而近几年全球科学家们开始重新关注并热衷研究表观遗传学，表观遗传学的核心就是生物可以不通过基因DNA遗传物质而在下一代进行遗传的现象。这会让我们提出质疑，就是在生命及遗传中谁是核心。 科学家在动物非生殖克隆中，掏空母体卵细胞中的DNA，然后注入克隆对象的体细胞DNA进行生长，这种克隆如果把细胞DNA移植到普通去除DNA 的细胞中就不会实现克隆现象。克隆说明生物成长环境需要的不仅仅是一个去除基因DNA的细胞，而需要一个特别的全息的母卵细胞蛋白质等有机物质环境（卵细胞中除了DNA其他大部分是各种蛋白质物质）。同时科学家在克隆鱼的时候，借助另一种鱼的卵细胞进行克隆，克隆成活的鱼同时体现出两种鱼类的外貌特征，这说明蛋白质在遗传中的作用可能被科学家们忽略了。 遗传物质染色体除了关键的DNA外，染色体其实是核小体组成的，核小体就是由DNA按照非常精确的尺寸包裹着组蛋白质组成的。 染色体结构说明蛋白质是DNA中的内层结构，应该在遗传记忆中占据很重要的位置。人类及动物大脑的记忆很多时候与蛋白质有关系。那么我们会问，蛋白质、DNA是由机分子组成的，有机分子是由量子组成，量子有没有记忆吗？答案是肯定的！ 从物质角度讲，量子物质世界向生命世界演化，应该需要如下三个要素：第一，物质系统感知能力与多量子协调能力；第二，量子记忆能力；第三，分子的自我组织性。 首先系统感知力与多量子协调能力是生命需要的必要基础。因为只有物质才有整体感知，内部协调信息互通的情况下才能形成生命基础，这是第一步，感知与应激是生命的重要特征。而在物质向生命演化过程中，物质的整体感知力与内部多分子的协调能力至关重要。 其次建立在客观量子纠缠基础上的物质的记忆特征，是物质得以复制、自我组装的驱动力。量子形成的物质，在适度环境下具备了生命的基础条件，当环境改变，就会形成一种进化特征。 最后物质的自我组织性是物质向生命演化繁殖的基本条件。 而我们要探索物质的这几种特性就是为了证明物质来源与生命来源的一体化。 我们已经知道，氨基酸与有机分子从46亿年前的太阳系形成之前，就已经存在太空中了。在漫长的演化中，原始星云有机分子一直保留在地球大气层或者彗星与小行星陨石当中，在地球形成开始，就有很多彗星与陨石不断飞向地球。 在地球形成的漫长历史中，由于地球运动非常激烈，雷电、狂风、地球火山不断喷发。水从岩石中不断渗出，火山与包含着水的泥浆混合喷涌，地球表面或者深处大量有机分子与泥土混杂一起，有机分子具有聚合球形效应，很容易形成生命层级的自我感知系统。而且由于这些有机分子的纠缠与协调能力，使会聚在一起的很多分子在广泛的范围内形成一种协作能力，使光或者热能的吸收、能量分配能够协调完成。一旦形成这种协调能力，量子物质就会记录下来。生命的形成不是有机分子单独完成的，而是多种有机分子团聚成自感系统并在量子记忆基础上多分子协调而成的，而分子组装本身就是量子的本性。 有机分子与无机分子领域有各种反应和各种复杂性。而对于这些互相交错的反应，因为不同的环境，比如光、电磁、温度、催化剂、时间等不同而不同。物质的量子与分子层面的团聚合属于物质的天性，也有其规律延续性，不同分子层面的组合、不同的分子叠加就会屏蔽外部的干扰，使内部能够因为量子纠缠而协调起来。 生命体本身就是一个多层的物质结构。成年人平均是由50万亿个细胞与500万亿个微生物体组成的。这些细胞又构成身体各个层级的功能器官。每个细胞又由外膜结构、蛋白质、线粒体、细胞核，基因等有机分子组成的功能分子团层级构成。细胞里的线粒体原来是单独的具有生命特征的细菌体，后来逐渐融入生物细胞中。蛋白质阮病毒与RNA类病毒在细胞体外就是一个大有机分子，但是它们在细胞内环境中就能自我复制、繁殖，这说名细胞环境层级对于生命的重要性。组成有机分子的原子层级，也是由原子核与电子组成的，可以说所有生命体都是由电子与原子核组成的。原子本身内部大量的空间都是虚空的，如果原子直径放大到200米，那么原子核小才有葡萄大小，而电子只有米粒大小。从原子的结构看组成生命的有机分子与物质世界的无机分子的量子结构是没有区别的。原子内部虚空的空间内，会容纳光等电磁波。而光、电子、原子等在第四章里已经证明都具有智慧选择性。 虽然以下证据只单独证明了粒子物质的感知力与协调力、记忆能力与自组性。但是在数百万有机分子组成的各级层的聚合分子团中，对于多层面的叠加聚和的物质来讲，都具有感知协调力、记忆能力、自我组织性。这是物质本身具有的三个状态，在多分子层级叠加后就能够顺理成章的一体化了。 第一，系统感知力与多量子协调能力的证明：英国诺丁汉大学物理与天文学院教授迈克尔·史密斯博士联合爱丁堡大学与都灵理工学院的研究人员，共同发现了一种性质奇异的“合成**”，其在重击之下，会像固体一样粉身碎骨，而慢慢倾斜之后，又可如**一般流淌。该研究成果刊登在英国《自然·通信》杂志上。史密斯博士介绍说，在低速条件下，该物质表现出**的流动性，而在高速度和高浓度的状态下，就会如固体一样粉碎。这就好比在一杯水中倒入一大勺玉米淀粉，如果搅拌得足够快，溶液中的高密度颗粒便会彼此相融而形成紧固的糊状物。更令人惊异的是，在即将变成固状之前，该**还会呈现出具有橡皮筋般弹性的细丝形态。 另外英国《纳米通讯》杂志刊登了一则“石墨烯具有自我修复的能力” 的报告。石墨烯是世界上最薄的只有一层碳原子的材料。科学家们为探索石墨烯在电学方面的特性，让石墨烯薄层与金属不断接触，这个过程在石墨烯薄层上造成了许多孔洞。研究人员用电子显微镜观察这些孔洞发现，孔洞中可能会嵌入金属原子，但如果孔洞周围还存在额外的碳原子，这些碳原子会将金属原子“赶”出来，自己嵌入孔洞之中，并与石墨烯薄层中原有的碳原子相连接，使整个石墨烯薄层修复如初。研究人员认为，这一现象说明石墨烯具有良好的自我修复能力可以提高石墨烯的应用价值，进一步拓宽这种“神奇材料”展示身手的舞台。 关于量子的协调能力，也可以从离子体态和玻色一爱因斯坦凝聚态上体现出来。 离子体态是指被激发的电离气体电离到一定程度后，便处于导电状态。 这种状态的电离气体表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响其周围带电粒子，同时也受其他带电粒子的约束。因为电离气体内正负电荷数相等，所以电离气体整体表现出电中性，这种气体状态被称为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称为物质第四态。 玻色一爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态，要达到该状态，一方面需要物质达到极低的温度，另一方面还要求原子体系是气态的。这需要让电子处于一种相互关联的状态中，一个电子上的变化立刻会由其他电子反应出来。 在室温下，电子就像台球会相互撞击，遵守经典力学法则。而随着温度不断降低，电子会平静下来并意识到临近电子的出现。接着，电子们可能就会集体行动，而这种集体行为则遵守量子力学法则。电子们进行着一种复杂的“舞蹈”，它们都试图呈现最好的排列方式，让其达到最低能级状态并最终形成新的模式或基态。 同时在量子热力学上还有一个“普适状态”。在正常的量子系统中，决定粒子运动的是它们的类型（如原子、质子等），而在由相互作用粒子（如费米子）形成的系统中，粒子的运动并不取决于它们的类型，这种运动状态就是“普适状态”。一个由澳大利亚科学家和中国科学家组成的研究小组利用费米气体的研究成果，证实了量子热力学的“普适状态”。 2011年8月15日，据美国物理学家组织网报道，美国科学家揭示了物质量子状态自旋**的存在机理，这有望加深科学家对超导性的理解。 自旋**不是人们能触摸到的物质，它像一个有序排列的原子阵列内的磁无序状态。自旋是所有磁现象的关键，例如，在铁磁铁中，原子自旋采用同样的方式排列。而在反铁磁铁中，原子的自旋方向会上下改变，上世纪80年代发现的高温超导材料就是如此。 科学家们表示，可能存在着更复杂、更令人感兴趣的磁排列，它可能会产生量子自旋**。比如，有一个等边三角形的反磁铁，每个角上都有一个原子自旋，其中一个自旋向上，一个自旋向下，那么第三个原子采用什么方向自旋呢？它不可能同时与前两个方向相反，因此物理学家用“挫败”来描述所有需求无法得到满足的情况。这种“挫败”现象随处可见，一个“挫败”自旋系统的妥协是同时存在很多自旋方向，量子系统允许出现这种叠加状态。 在新实验中，科学家们研究了当“挫败”现象出现于一种具有六边形晶胞网格的物质中时所发生的情况。物质内的原子通过各自的自旋相互作用，距离最近的原子之间交互作用的强度用J1表示；次近的原子之间的作用力用J2表示。科学家们让六边形晶格中的原子相互作用，观察并计算了可能会出现的状态。 科学家们发现，就像温度变化会使水以不同形态存在一样，自旋之间交互作用的强度也会发生变化，形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态被证明为无序的量子自旋**，当J2为J1值的21%到36%之间时，“挫败”诱导自旋进入无序状态，整个样本同时存在着数百万种量子状态。 参与研究的科学家加里塔斯基表示，很难想象一个微小的二维物质能同时以如此多状态存在，人们应把自旋看成像粒子一样自由运转的实体，即自旋振子，其会结合在一起，就像水分子结合成液态水一样，因此得名量子自旋**。而且，其与金属内部发生的情况类似，在金属内部，大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子，在金属内漂移，好像它们组成了**（费密**）。这些现象也许能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。 最近，科学家又在量子自旋**中发现隐藏秩序。这种没有传统磁力的隐藏磁性“量子秩序”是科学家在研究一条100个原子场的陶瓷原子链时发现的，科学家们对一种陶瓷材料进行研究，这种材料是一个个以镍为中心的氧八面体首尾相连的链式结构。这种链并不是普通的磁子，而是奇异的量子自旋**，其中的电子自旋即使在很低的温度下其方向也是随机的。通过使用中子来对这些磁性激子成像并测量其传播的距离，科学家们发现尽管经典上无序，但磁性激子都能够在低温下穿过整个原子链。他们还发现可以通过引入缺陷或者加热来限制这种量子相干或者使之完全消失。 而来自瑞典的科学家通过实验证实，磁纳米接触可使自旋波“繁殖”。 观察结果与十年前科学家提出的“磁性纳米接触会让纳米尺度的自旋波繁殖”这一理论吻合。在研究中，科学家们制造出直径约为40纳米的纳米接触，自旋波被造于3纳米厚的一薄层镍铁合金内，模拟显示，磁性纳米接触会让自旋波像水波一样扩展。 近藤效应是电子与其周围电子发生非常复杂的纠缠引起的，目前的研究方法只能测量到近藤状态，无法获知电子是如何与其周围环境发生纠缠的。 据美国科学促进会网站报道，2011年6月30日发表在《自然》上的文章揭示了近藤效应状态下单个电子是如何与其周围环境产生纠缠态的。由来自美国、德国和瑞士的科学家组成的研究团队利用激光散射技术探测到近藤状态下的电子活动。根据激光散射过的电子不同状态，他们推测出电子能通过吸收不同颜色的激光来改变温度，反射回来的激光能够携带量子纠缠态的特征，从而可以观察到电子与其周围环境之间的关系。科研人员利用纳米结构的设备将电子捕捉在小凹槽里，从而将单个电子分离出来。但是凹槽中的电子只能保持有限的隔离，最终还是会跟周围的大量电子纠缠在一起。 弗吉尼亚联邦大学的物理学教授施夫·汉纳领导的团队发现了新型“超原子”。种性能稳定的新型“超原子”，是由1个铁原子和8个镁原子集结而成的原子簇，具有令人不可思议的磁性，兼具电性和磁性。科学家发现当原子簇拥有8个镁原子时，其充满电子的壳层与未填满的壳层几乎完全分离，从而获得非凡的稳定性。当一个原子的最外层被填满并且与未填满的壳层分开时，该原子处于一种稳定的状态，惰性气体的原子就是如此。新的超原子还会优先使朝特定方向自旋的电子遍及整个原子簇这种兼具磁性和导电性的超原子将在分子电子设备领域大展拳脚。 一般两多朵云相遇，会互相弥散彼此透过，但美国麻省理工学院物理学家却造出了一种奇怪的超冷气互斥云，即使将其密度降低到只有空气的百万分之一，它们在相遇时也能像两个保龄球一样彼此弹开，这是科学家首次观察到气体之间无法互相透过的现象。此次研究人员在实验室里造出的云是一种冷却到接近绝对零度的锂原子气体，用来代替电子，锂同位素也是一种费米子，用来模拟强相互作用系统模型。研究人员用磁场调整锂原子的能量态，让原子之间产生自然状态的强度相互作用，即每次它们相遇，就会散射开。气体被冷却到500亿分之一开氏度以消除热能影响，再用磁力将气体分开成两部分，分别标记为“上旋”和“下旋”，然后让两部分气体在激光势阱中相撞。研究人员发现，它们不但不像通常那样互相弥散透过，而是戏剧性地互相推开。气云最终还是会弥散融合，但要花很长时间，有几次甚至用了一秒甚至更长，这对微观事件来说是极其漫长的。 第二，量子记忆的证明： 而由德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组首次成功地将单个光子的量子状态写入铷原子中，经过180微秒后将其读出。这说明单原子也能存储量子信息。 物理学家将量子信息存储到非常冰冷的原子缠结中，并大幅提高了从中检索的时间。 铷原子存储到偶极光学陷阱的时间为7毫秒，这个结果创造了新的纪录，而以前的存储时间纪录是32微秒。量子互联网的目的是分配“缠结”的量子位——两个距离很远有相互关系的数据位，代表“0”或者“1”。所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间的神奇连接，即使粒子位于宇宙空间的两边，这种连接都能以极快的速度连接，量子位像光子一样在光纤网络中旅行。为了达成量子记忆，研究人员使用一个铷87原子系综，并将其冷冻到绝对零度以使原子的活动最小。为了存储信息，该原子系综被暴露在携带信号的激光之下，允许每一个原子作为“集体激发”的一部分参与存储。简单来说，每一个原子“看见”了前来的信号，一个快速摆动的电磁场，就会刻下相位信息，该相位信息之后就能被“读”到。尽管非常冰冷，系综原子还是可以在任意方向自由移动。因为每一个原子都是存储量子信息的一部分，且数据的有用性依赖每个原子参照其他原子的位置，原子大量的运动可能会破坏信息。 加拿大和德国科学家合作成功地在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息。物理系教授沃夫冈·泰特尔使用了一种掺入稀土离子的晶体，并将其冷冻到零下270摄氏度。在此温度下，晶体材料性质发生变化，使得研究人员可以存储和提取这些量子，而不产生明显的退化。泰特尔表示，研究结果显示，量子所拥有的“纠缠”这种物理性质，并不像我们以前所通常认为的那样“脆弱”。 2012年3月，由英国牛津大学和曼彻斯特大学组成的联合研究小组通过化学工程，制造出一种名为Cr7Ni的特殊分子结构，并演示了其磁性能保持量子叠加态超过15微秒，在因退相干而失去信息之前，它们的自旋状态可反复转换。 分子磁铁是一种分子，其磁矩通常按分子结构的特殊轴线排布，因此在磁场的影响下，其电子自旋方式也会不止一种状态。在低温下，即使没有磁场，它们也能保持这种状态，这一特性使采用它们来存储信息成为可能。利用化学工程合成人造分子，可以作为量子比特，并使其记忆时间段大大延长。研究人员介绍说，实现单量子比特操作的必要时间为10纳秒，根据以往对Cr7Ni分子磁铁的研究，其相干时间大大超过了这一限制。此前的记忆时段最高纪录为3.8微秒，另外一些分子磁铁系统的记忆时长也能保持在1微秒左右。“记忆时段和相干时间是非常相似的概念。”论文合著者、牛津大学的阿章·阿达万说，“记忆时段越长，表明在量子信息损失之前，能操控量子比特的次数越多。如果能精确控制分子结构，找出各种退相干的机制，就能尽可能减少这些退相干因素。” 另外，一种量子记忆体也被合作加拿大和德国科学家的在超低温环境下成功制造了出来。研究人员使用一种掺杂稀土离子并冷冻至270摄氏度的铌酸锂晶体，成功实现了存储和再现纠缠态光量子，也就是说，他们已经制造出了一种量子记忆体。这种超低温晶体所具有的存储和再现光量子的材料特性，与计算机中字节的保存和调用非常相似。在这种状态里，光量子之间形成“纠缠”关系，即便它们游离开来相距甚远，也会保持这种“纠缠”关系。在某种程度上讲，这种“纠缠”关系意味着量子之间尽管相距甚远还将存在着通信联系。 2011年6月，美国和德国科学家在最新研究中，将包裹钻石内单个电子里的量子信息移入邻近的单个氮原子核内，接着使用芯片上的布线让其返回。 这是科学家首次证明，钻石内的亚原子也拥有量子记忆，全量子信息能在室温下，在单个电子自旋和单个核自旋之间来回高保真地转换。由于亚原子核状态与外部世界之间更难发生具有破坏性的相互作用，钻石内的亚原子也拥有量子记忆。 该研究团队之前已经证明，能够使用氮原子束在钻石上故意制造瑕疵来捕获单个电子，从而合成出数千个这样单个的电子状态，在室温下钻石中的瑕疵也能精确地做到这一点，于是科学家开始考虑利用有瑕疵的钻石来存储数据。由于量子物理学独特的属性，在某种特定的情况下，两个量子物体能混合成为一个新的复合体。通过将瑕疵内电子的量子自旋状态和氮原子核的自旋状态在很短的时间内（不到1千万分之一秒）混在一起，最初被编进电子中的信息会被传递给原子核。量子信息能够被很快地转运给寿命长的核自旋，这能进一步提高我们纠正量子计算中出现的错误的能力。 英科学家们表示，已经研发出了一种新方法，利用“智能材料”来使蛋白质结晶，这种智能材料能记住分子的形状和“性格”。研发新药的过程一般是：科学家们会先找出一个与疾病有关的蛋白质；接着设计出一个能同该蛋白质相互作用的分子，来刺激或者阻止该蛋白质的功能。研究者利用一种名叫“分子印迹聚合物（MIPs）”的材料，研发出了一种更有效地制造蛋白质晶体的方法。MIPs是一种由小单元组成的化合物，这些小单元紧紧包围着一个分子，当其中的分子被提取出来后，会留下一个洞穴，这个洞穴能够保持其形状，并对靶向分子具有很强的亲和性。这种属性使MIPs成为一个理想的成核剂，其能将蛋白质分子绑在一起，并使蛋白质分子更容易集结从而结晶。现实中需要很强的力量才能让蛋白质脱离溶液并形成晶体，MIPs可以成为这个过程的“幕后推手”，它会利用这个蛋白质作为其形成晶体的模板，一旦第一个或第一组分子被放在正确的地方，其他分子能自我排列在它周围并且开始结晶。研究发现，有6个不同的MIPs诱导9个蛋白质形成了晶体，而这些蛋白质在此前的实验中的结晶情况并不理想。 1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金被誉为“神奇的功能材料”。 1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。 哈佛大学研究人员将96比特数据存储到DNA链中。具体方法则为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分别赋予二进制值，随后通过微流体芯片对基因序列进行合成，从而使该序列的位置与相关数据集匹配。微观物质存储宏观数据达到意想不到的效果：1立方毫米即可存储704TB的数据，相当于数百个硬盘的容量。 第三，量子自我组织性的证明： 上海交通大学研究人员报道了宏观自组装现象，这项研究为生命起源提供了新的启示。2004年，1月2日在美国出版的《科学》杂志，发表了上海交通大学化学化工学院颜德岳教授及其博士生周永丰、侯健的论文《形成宏观管子的超分子自组装行为研究》。论文在国际上率先报道了宏观自组装现象，由一类新型的不规则的大分子自组装得到了厘米长度、毫米直径的多壁螺旋管，将超分子自组装研究领域拓展到了宏观尺度，使我国在这一研究领域处于国际领先的地位。 据介绍，超分子自组装是近年来国际科技界关注的一个前沿热点。人们知道蛋白质、细胞乃至生命的形成都是通过自组装来实现的，因此自组装的研究对揭开生命现象奥秘具有十分重要的意义。另外，自组装是目前用来制造纳米材料的最方便最普遍的途径之一。特别对于制造结构规则的功能材料，自组装已经显示出独一无二的优越性。可以说，自组装研究不仅具有重要的学术意义，而且具有广泛的技术应用前景，因此吸引了众多科学家的目光。 由颜德岳教授课题组进行的这项研究始于1998年冬，经过5年多的努力终于成功地自组装得到了形貌更为完美的宏观多壁螺旋管，并经多次重复测试都重现了自组装现象。这项研究结果所展示的从分子直接自组装得到宏观物体的过程和生命物体的形成过程有关，为生命起源研究提供了新的启示。 中国科学院化学研究所光化学院重点实验室江华课题组与法国的科研人员合作在超分子自组装研究中取得了新进展，成功地合成了一系列具有螺旋结构的喹啉酰胺寡聚物。 研究人员通过片段加倍合成法，成功地合成了分别含有2，4，8个喹啉酰胺结构单元的寡聚物。这些寡聚物通过分子内F——NH和N——NH氢键自组装成为单、双螺旋和四螺旋超分子体系（图308和图309和图313）。研究表明无论是在晶体中还是在溶液中，这些多肽寡聚物都呈现相同的螺旋结构。研究人员还发现单螺旋必须通过增加螺旋间的距离才能够组装成为双螺旋超分子体系，并在此基础上提出了多螺旋结构形成的弹簧伸展原理。这和短杆菌肽（GramicidinD）有着十分相似的自组装机原理，这些研究结果为探索合成新型人工合成折叠分子及其超分子结构提供了新途径。在自然界中，许多天然生物大分子都采用螺旋或多螺旋结构。