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

譯者序：量子生物為生命現象，開啟全新視野

1.序論
2.生命是什麼？
3.生命的引擎
4.量子拍頻
5.找到尼莫的家
6.蝴蝶、果蠅與量子知更鳥
7.量子基因
8.頭腦
9.生命如何開始
10.量子生物：站在暴風邊緣的生命

後記：量子生命
參考文獻
 

作者序

　　1.序論

　　今年，歐洲嚴寒的冬天提早到來，夜晚的空氣如此寒風刺骨。年輕的知更鳥心中一直深藏著一個想法。這個想法先前還模糊不清，但隨著時間的流逝日益增強。

　　過去幾個禮拜以來，知更鳥吃了許多昆蟲、蜘蛛、小蟲、莓果，而這些食物量遠超過牠平常的食量。現在牠的體重幾乎是今年8月牠的孩子可獨立飛離鳥巢時的兩倍重。體重增加的部分幾乎都是以脂肪的方式儲存著。牠即將出發，展開一段艱鉅的旅程，而這些脂肪會提供牠旅程中所需的養分。

　　離開這座位於瑞典中部的森林，是牠生命中第一次遷徙。在牠短暫生命過程中，一直都住在這座美麗的森林，幾個月前也在這裡養育了幼雛。所幸，去年冬天不會太嚴寒，那時牠還沒完全長大，還沒有足夠能力進行這樣的長途的旅行。但是現在，隨著牠卸下養育的責任，到明年春天之前，牠只需要顧慮自己，而這時牠也已準備好逃離即將來臨的冬天，前往南方投向更溫暖的氣候。

　　日落後的幾個小時，牠並沒有為晚上的休息做準備。相反的，牠輕輕地從陰暗的樹叢間跳到牠築巢那棵樹的其中一根樹枝上，快速甩動全身，就像一位馬拉松選手賽前的暖身，而牠胸前橘色的毛在月光下閃耀著。那座牠辛勤建造並小心呵護的巢——已離牠一兩公尺遠，而鳥巢的一部分也已經被布滿青苔的樹幹擋住——現在已成模糊的回憶。

　　牠並不是唯一一隻即將展開旅程的鳥，還有其他知更鳥（雄的或雌的都有），也都決定在這天展開牠們這趟長途的南遷之旅。牠可以聽到四周其他知更鳥所發出無比巨大且尖銳的叫聲，這些叫聲覆蓋過森林中其他動物的聲音。彷彿這些知更鳥正警告森林中其他居住者，如果要趁他們不在時入侵他們的領土或鳥巢，請記得三思。幾乎所有的知更鳥都計畫明年的春天會再回來。

　　牠抬起頭看向沿海的天空，確定沿海地區的視野是清晰的，便飛進了夜晚的天空。冬天的夜晚特別長，這讓牠有十個小時的時間，可以持續並穩定地向前飛行，然後才休息。

　　牠朝著195度的方向飛行（西偏南15度）。接下來的日子，牠會一直沿著這個方向飛行。天氣好時，一天可以飛三百多公里。牠不知道這趟旅程會面臨什麼，也不知道需要多久時間。目前的地貌還是牠所熟悉的，但是再繼續飛行幾公里後，就會飛進陌生的湖泊、山谷和村莊。

　　牠旅程的目的地，是位於地中海附近的某個地方。雖然牠沒有鎖定任何特定的地點，但是當牠發現喜歡的地點，就會停下來並且記住這裡的景色。這樣才可以在未來幾年的遷徙都回到這裡。假如牠體力更好，甚至會飛到非洲大陸北方的海岸。但這是牠第一次遷徙，而且目前首要目的是遠離北歐即將到來的嚴冬。

　　牠似乎沒有注意到周遭的知更鳥也都朝同一個方向飛。有些已經有多次遷徙經驗。夜晚的視野非常好，但是牠不像我們在進行這類旅行時會尋找地標，也不像其他夜行候鳥會按內在的星座地圖追蹤布滿夜空的星象排列。相對的，感謝幾百萬年的演化，讓牠具備比這些更卓越的能力，讓牠能在往後每年的秋天，都能進行三千多公里的遷徙旅程。

　　遷徙在動物的國度裡是司空見慣的事。例如，每年冬天，鮭魚會在北歐的河流與湖泊產卵。孵化後，這些幼小的魚苗會沿著河水流到海裡，進入北大西洋，並在那裡成長茁壯。3年後，這些成年的鮭魚會回到當年孵化的那條河流與湖泊去產卵。北美洲的帝王蝴蝶，秋天會橫跨整個美國數千公里向南遷徙。隔年春天，牠們或者是牠們的後代（在途中所孵化的），會飛回北方當初牠們成蛹的那棵樹。在南大西洋的阿森松島孵化出來的綠蠵龜，會在海洋中游過千萬公里，而每3年牠們都會回到當初孵化的海岸來產卵。這樣的例子可以一直列舉下去：各種鳥類、鯨魚、北美馴鹿、龍蝦、青蛙、蠑螈，甚至是蜜蜂都有能力完成令許多優秀的人類探險家都感到異常艱辛的旅程。

　　動物究竟如何在地球上找到正確方向，這是許多世紀以來的謎團。目前所知牠們使用的方法有下列幾種：某些動物在白天利用太陽來導航，而夜晚則運用星座；某些動物則靠記憶地標的位置；還有一些動物甚至可以「聞到」正確的路徑。但是所有動物的導航本能中，最令人感到神祕的，就是歐洲知更鳥所擁有的導航能力：具備感測地球磁場的方向和強度的能力，就像磁場接收器一樣。我們現在知道還有一些其他的生物也有相同的感應能力，但是歐洲知更鳥的遷徙仍是令我們最感興趣的。

　　知更鳥能夠知道要飛多遠以及飛行方向的機制，都儲存在去氧核糖核酸（DNA），這是父母所遺傳給牠的。這項能力如此精巧又非凡——一項用來描繪路線的第六感。就像許多其他的鳥類、昆蟲以及海洋生物一樣，牠有能力感知到地球微弱的磁場，並且從自身內建的導航能力來描繪出飛行方向的資訊，這是一種非常新穎的生物性羅盤。

　　知更鳥有類似磁場接收器的感知力是個謎。問題在於地球磁場非常微弱——表面磁場大約介於30到70微特斯拉：足夠去偏轉羅盤裡一根平衡且沒有摩擦力的針。但是這個磁場的大小約莫是一般黏在冰箱上的磁鐵所產生磁力的百分之一。這就出現一個讓人難以理解的事：一隻動物要能偵測到地球的磁場，代表磁場對動物身體中的某些化學反應產生影響——畢竟這是所有生物感知外在訊號的方法，包括人類在內。但是地球磁場與細胞分子之間的交互作用中所提供的能量，比破壞或產生一個化學鍵能量的十億分之一還小。所以，到底知更鳥是如何感知到地球磁場的？

　　神祕的事物，即便微小，總是格外吸引人，因為這些事物的答案很有可能會在本質上改變我們對這個世界的理解。例如，十六世紀時，哥白尼深入思考托勒密描述太陽系時所提出的地心說模型中的一個有關幾何的問題。這個看似不重要的問題，讓他推翻了以人類為整個宇宙中心的說法。達爾文著迷於不同物種在地理上的分布狀況，而且疑惑為什麼不同島嶼上的雀科鳥與仿聲鳥有著不同的特徵，從而讓他提出生物的演化論。還有德國的物理學家馬克斯・普朗克在嘗試解決黑體輻射的問題中，讓他在1900年提出了，能量是以一團一團不連續的形式存在，稱之為「量子」，並催生了量子理論。所以，如果我們能了解鳥類如何在地球上遷徙，是否就可以為生物學帶來革命性的進展？這個答案，也許聽起來很奇怪，但肯定是對的。

　　神祕的事物也經常是偽科學家和神祕主義者所喜愛圍繞的主題。就像牛津的化學家彼德・阿特金斯（Peter Atkins）在1976年所說的：「在探討磁場如何影響生物內的化學反應的研究上，長久以來一直都被江湖術士所包圍著。」的確，許多怪異的解釋，例如，從心電感應和遠古地線（一些隱形的路線串接著不同的考古遺址或者是某些地理位置，而且這些位置都被賦予某種靈性能量），到一位受爭議的超心理學家魯伯特・謝爾瑞克（Rupert Sheldrake）所提出的「形態共振」（morphic resonance）中，都有針對候鳥如何找到牠們的方向提出一些看法和機制。阿特金斯保守的言論是可以理解的，這反映了那個時代大部分的科學家，對於任何有關鳥類感知地球磁場的主張，始終抱持著懷疑態度。因為沒有任何的分子結構的反應機制，可以允許動物感知到地球的磁場——至少在傳統的生物化學領域沒有。

　　就在彼德・阿特金斯提出懷疑的同一年，德國法蘭克福專門研究鳥類學的沃爾夫岡・威爾奇科夫（Wolfgang Wiltschko）和羅斯維塔・威爾奇科夫（Roswitha Wiltschko）夫婦與他們的研究團隊，在聞名全球的學術期刊《科學》上，發表了一篇突破性的論文，證實了知更鳥確實可以偵測到地球的磁場 。更值得注意的是，他們發現，鳥類感知的方式並不像我們一般所使用的羅盤。羅盤可以區別地磁的北極和南極，但是知更鳥只能區別地磁的南北極與赤道的不同。

　　在了解羅盤是如何測得磁場之前，我們得先介紹磁力線，一條隱形的曲線，它決定了磁場的方向。當羅盤放在磁場內的任何地方，羅盤的指針都會順著磁力線的方向。最為人熟知的實驗就是在一根磁棒上放一張紙，並在紙上撒下鐵粉時所呈現許多曲線的圖形。現在，想像地球就像一根大磁棒，磁力線從南極輻射出來，在空間中形成一條曲線，最後進入北極。在接近南北極的磁力線方向幾乎是垂直於地面。但是當越來接近赤道附近時，磁力線則會逐漸的平行於地表。所以用來偵測磁力線與地球表面夾角的羅盤，我們稱之為磁傾角羅盤。它可以用來區別往南北極的方向或是往赤道的方向，但是卻無法區別出南極或北極。因為無論在南極或北極，磁力線和地面的夾角是一樣的。威爾奇科夫在1976年所做的研究顯示，知更鳥的磁場感應能力很像磁傾角羅盤。但是仍然沒有人知道這種生物性的磁傾角羅盤原理是如何運作的，因為在那個年代沒有人知道是什麼樣的機制，可以讓動物的身體偵測到地球的磁場和地面的夾角。答案將會和近代一個令人感到驚訝的科學理論有關，那就是奇特的量子力學。

譯者序

量子物理為生命現象，開啟全新視野　文/王志宏

　　《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》是我從事科普翻譯工作的第一本書。剛閱讀到這本書的原文版時，便對書中所探討有關量子生物的內容所吸引。這本書之所以引起我如此大的興趣，主要是它探討了生物系統中存在的量子效應。量子理論的建立已經超過一百年，但是這個理論主要是應用在描述微觀的物質，例如原子、電子等。對於我們平常周遭所經驗到巨觀的物體，量子理論可以說是英雄無用武之地。你或許會想，所有的東西都是由原子、分子等微小的物體所組成，既然量子是描述這些微小物體的基本理論，為什麼這些巨觀的物體卻不存在量子效應？根據目前的研究顯示，當我們所考慮的系統，粒子數目很多時，量子理論中的奇特性質便會很快地流失到周遭的環境中。如果從這個觀點來看，這本書所探討的內容便格外吸引人。因為我們所經驗到的各種生命現象是包含著許多分子的複雜系統，但是書中所探討各種生命機制的運作卻依靠著量子的效應，這的確引起了我極大的好奇心。  

　　量子物理的創建者之一埃爾溫・薛丁格（Erwin Schrödinger）在1940年代所發表的著作《生命是什麼？》一書中，便對生命中可能存在的量子現象提出深刻的見解。本書的作者從薛丁格的觀點出發，帶領讀者去了解許多生物系統中所存在的量子效應。從酵素的運作、植物的光合作用、嗅覺的機制、基因的複製、大腦的神經元傳遞，一直到生命的起源。從二十世紀開始，我們的科學研究在各個領域上都有突破性的進展，但是不可否認的，生命對於我們來說仍然充滿著許多未知。我們仍舊無法在實驗室中製造出最初的原始生命，所以生命的起源依然是個未解之謎。有沒有可能我們在嘗試了解生命的現象時，忽略了某些重要的因素？而生命中的量子現象是否正是解開這些謎團的重要關鍵？相信讀者可以從這本書中發現解開這些謎團的線索。

　　在最近的十幾年內，量子生物領域才開始逐漸受到重視。在這個充滿未知的領域中，有太多奇妙的現象等待著人類去探索。我們可以想像也許在未來的幾十年中，量子生物會帶給人類一個全新的視野來看待生命。這本書的作者吉姆・艾爾—卡利里以及約翰喬伊・麥克法登，分別是物理學和分子遺傳學的教授。在他們彼此專業的共同合作之下，才能以如此深入淺出的方式寫下這本跨領域的科普書籍。

　　在翻譯這本書的過程中，我要感謝兩位與我共同翻譯的吳育慧博士與吳育碩先生。我的學術研究是有關宇宙的起源、黑洞以及廣義相對論。然而本書中有許多生物相關的內容，並非我所熟悉的領域。為了要維持本書翻譯的品質，我特別邀請吳育慧博士和吳育碩先生加入本書的翻譯工作。這本書開拓了我們對生物系統的認識，使得我們對於生命有更深一層的了解。而作者以專業的知識加上通俗流暢的文筆，讓讀者很容易就能進入書中，跟著他們展開一場豐富的科學之旅。