五千年(敝帚自珍)

主题:【原创】量子生物学 I 摘要和前言 -- witten1

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      • 家园 随便根据自己的经验跟两位大牛说两句!

        长寿兄对学科的分析思路,逻辑很清晰。就是写得太多,外行人很容易就转昏了。我的个人观点,还是他说的量子效应生物学比较现实一点。这个只能是对小尺度的生物学(分子生物学)有较大意义。到了大尺度的生物学,那就统统抓瞎了。分子级别对生物体的影响,目前还没有系统的方法可以应用。例如DNA对大鼻子的影响,中间一大段过程都是不可知的。曾经听过一个新加坡牛人的讲座,说他的研究从分子生物到临床应用都涵盖了,要么是牛人,要么是大忽休。不过生物领域总是这样的,不说大不行。

        对于分子生物学,最接近介观物理,而且通常分子都比较大,运动空间限制在纳米到微米的尺度。量子规律应该有重要作用!由于通常在常温,量子效应很难从实验中发现。

        • 家园 一点补充

          量子力学不一定会起到显著作用,只有在相互作用强度与室温(约26meV)可以比拟的时候,量子力学是最有可能起到显著作用,否则热涨落将湮没一切。这在这篇综述里的典型例子就是光合作用过程了。

          后面要讲到的鸟类的迁移,则是说自旋也起到了作用了,这个就是有些诡异了,因为一般来说自旋的耦合比直接的charge-charge相互作用是要弱的,自旋的耦合是库仑相互作用的剩余作用。不过待我慢慢道来,我知道过去一年中是有一篇PRL谈到了这个研究。

          PS:那个人应当是大忽悠。

          • 家园 光合作用之外,还有皮肤细胞中的某些可能的光化学过程

            比如医学上所谓光敏性皮肤,具体机理还没有完全搞清,但很可能类似于太阳能敏化电池一类的过程。某些人的皮肤细胞受到外来化学物质的作用(比如摄入芹菜),电子状态较易受到光照影响,产生载流子,进而影响(催化或者抑制)皮肤细胞中的某些化学过程,从而破坏皮肤结构,宏观上产生所谓光过敏。这类过程至少我们在无机化学反应(如硅纳米线的行程)中发现过,很有意思。

          • 家园 一点点补充。

            用于生物分子环境的空间极度狭小(亚细胞尺度),量子力学起到显著作用的可能性比一般系统大很多,热涨落将被显著压制(当然是相比叫大系统而言)。主要障碍是测量手段的限制。其实我是个懒人,主要时间花在上网聊天上,没有大牛们看的文章多。只是实际工作中的一些幼稚想法。

    • 家园 好吧,我来讨论一下我心目中的(三种)量子生物学

      以下是我酒足饭饱没事干时产生的(可能很不专业的)想法。

      引子

      乍看起来量子生物学这个名词多少有些古怪, 因为微观的生物研究应该是建立在化学基础上的(是这样吧),而化学是要从 (非相对论性)量子力学导出。 而且至少对简单的分子是可以从薛定谔方程出发研究的(不是有量子化学么)。这里我想强调的是 和流体力学以及统计力学不同,化学只能从量子力学出发 而不能从经典物理出发来理解。 所以现有的 分子生物学 生物化学 之类, 因为化学的原故,难道不已经是 “量子生物学”了吗?

      可是事情没那么简单。 我不知道有没有什么重要的生物学成果是从 薛定谔方程出发 导出的, 我猜没有。也就是说我估计 化学是绕不开的。 我指的是 真正重要的生物化学机制的核心 处在这样一个区间:一方面这机制必须建立在化学理解上,另一方面它无法直接建立在薛定谔方程(原子物理学)上。

      从这个意义上讲 这时的生物是 “唯象化学-生物学”(这里的 “唯象化学” 指的是不还原为 原子物理学/薛定谔方程 的化学)。

      当然有时候人们也会运用一些流体力学,统计力学甚至经典电磁场理论的东西。这时的生物学 可以叫做 “非相对论性经典物理学-唯象化学-生物学” (前两个词是形容词!)

      两种量子生物学

      一个很有野心的想法 是直接从(非相对论性)量子力学出发 研究 生物化学过程的机制。如果能实现, 这应该被称为 “非相对论性量子生物学”。当你提到“量子生物学”时,我脑海中第一个涌现的就是这个东西。

      然而从你的描述看,你所谓的量子生物学 却并非我所定义的非相对论性量子生物学你介绍的研究似乎可被命名为 “非相对论性量子效应生物学”。这里的“量子效应”指的不是原子物理学中的微观量子效应, 而是大得多的介观甚至宏观尺度下的量子效应。 除了尺度,另一个重要特点是 这些效应不能用唯象化学来解释。(顺便问一下你说的“量子相干”是entanglement 吗?)。

      一个比方

      我感觉这里的情况类似于物理中的以下情形。

      1。通常所说的流体力学 首先建立在牛顿力学基础上。应称之为“非相对论性经典流体力学”

      2。量子力学出现后,自然的问题是如何从薛定谔方程导出传统的流体力学(如 Euler 和 Navier-Stokes 方程)。 这方面人们先是经由统计力学作为中转(如 Boltzmann 方程)来实现,这时的流体力学 从概念上看可称为“非相对论性量子力学-统计力学-流体力学”。 近年来, 理论家终于实现了绕开统计力学, 直接接通 量子力学和流体力学方程。 这时我们的理论 就可以被称为“非相对论性量子流体力学”

      如果和生物作比的话, 这里的“流体力学”相当于生物学,统计力学的作用相当于化学。 如果 你在统计力学模型中 使用未能从量子力学导出的假设(比如遍历性假设),这就类似于“唯象化学”

      3。可是如果你去找“量子流体”的研究,你不会找到上面的“非相对论性量子流体力学”(这就是我生造的一个词)。你找到的是“凝聚态物理”的领域。那里的量子流体 是诸如超流体之类的东西。如果我继续上面的比较,这种研究可以叫做 “非相对论性量子效应流体力学”这也是我生造的一个词)。 这里的量子效应有两特点:第一, 其尺度不是原子物理中的微观尺度,而是介观宏观尺度(甚至是天体物理学的尺度,比如中子星的研究);第二 效应不能由经典物理(包括经典统计力学)解释,这一点和传统流体力学是不同的。

      我感觉 你介绍的“量子生物学”(被我称为“非相对论性量子效应生物学”) 在我这一系列比方中的位置 就相当于 “非相对论性量子效应流体力学”。

      小结

      我描述了我心目中的两种 量子生物学:“非相对论性量子生物学”和 “非相对论性量子效应生物学”。后者如立得住脚的话, 可能会给出一些奇妙的现象。我期待着你的翻译介绍。 不过至今为止绝大多数微观/介观生物机制 似乎都属 “非相对论性经典物理学-唯象化学-生物学”的领域,因此从理论角度看,前者(“非相对论性量子生物学”)意义恐怕更重大 (如建立得起来的话)

      当然 两种量子生物学 并非没有联系。从本质上讲,它们的主要差异属于侧重点不同。我就不详述了。

      联想

      我在前文中不厌其烦地使用“非相对论性”这个定语,主要是为这小节作铺垫。

      你的文章中提到了“光子”,也许实验中还会有电磁场。 但我相信研究者们不会去研究 “量子场”。即对电磁场只考虑经典效应,对光子视其为非相对论性粒子(用非相对论性量子力学)。这里大家可以把“量子场”理解为 相对论性量子力学 (即狭义相对论和量子力学结合的产物)。

      我希望有朝一日能出现 “相对论性量子生物学”(也可称为“量子场生物学”)。 一个直接的途径当然是发现 量子场的效应(不是非相对论性量子效应)在生物学中是有意义的。 当然我怀疑很有可能由于量子场和大分子能量尺度差太远, 这个思路是死路一条。

      然而还有一条间接途径。

      如果 “非相对论性量子效应生物学”能站得住脚 并发现有丰富的有生物学意义的非相对论性量子效应, 那么 凝聚态物理学的工具必渗入这一领域。一件一般的科普读者都不知道的事情是:凝聚态物理学,作为一门研究非相对论性条件下量子多体问题的学问,竟然会使用 量子场论的方法这不是因为 有相对论效应 或者有量子场。这里的思路很曲折, 简单的讲这很大程度上是数学方法的相通。

      好了。这意味着一旦 有生物学意义的非相对论性量子效应大量出现, 从纯理论上讲, 量子场论的方法被引入是完全可能的,虽然我们不认为微观生物/化学机制本身需要考虑量子场。

      这就是我心目中未来可能出现(当然也可能不出现)的第三种“量子生物学”:量子场生物学。

      重要补充

      本文写于楼主的“量子生物学II”发表之前。看了“量子生物学II”,我感觉这更像我说的“非相对论性量子生物学”。 折合我前文中的猜测是不同的。请读者注意。

      • 家园 mind@plank scale?

        1. "normal bio" energy scale

        eye scale:单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳,这样大小的能量足以激发起眼睛上感光

        玻爾茲曼K 8.314 焦耳/ 摩爾. 開度÷ 6.022× 10 23 理粒/摩爾=1.38× 10 -23 焦耳/開度

        "normal mind" gauge:galilean invariance good enough?

        for "real talents or human race collectively":

        2 "penrose objective reduction" ( I read very little)

        mind or soul: near plank scale? 1.5092X10 33 焦耳的能量

        "Take and interpret it. E is the degree of spacetime separation of the superpositioned particle and t is the time until POR occurs. This shows that small superpositions (i.e. things that are almost in a determined state) will take a long time to collapse objectively. This intuitively makes sense, since there isn’t really a “need” for it to take a determined position if it is undetermined at close to plank-length distance. It doesn’t contradict our world view. On the other hand, extremely large objects (say Schrodinger’s cat) will objectively collapse to a single position extremely quickly. This eliminates the “paradox” of Schrodinger’s cat."

        http://hilbertthm90.wordpress.com/2008/05/28/penrose-objective-reduction/

      • 家园 很重要的补充。

        看这个review的河友都应当看看你的介绍,这是认真的。

        我对量子生物学这个名词并不感冒,这只是他们这些作者取的名字罢了,我感兴趣的是,正如这篇文章所说的,在生物体内是不是真的有这样的过程,这样的过程中量子效应/量子力学表现的极为明显。量子相干就是其中一种,量子相干不一定就是纠缠,它可以就是一个叠加态,当然在生物体内,如果有量子相干,那么天然应当就是量子纠缠。就像文中所介绍的,对于光合作用过程,我想量子效应是显著的,而那奇妙的能量传输过程必然伴有量子相干(肯定是纠缠形式的)。

        从某种fundamental的角度或者说没有技术含量的角度来说,地球上的生命显然是被量子dominant了,因为生命所能生活温度尺度已经被体内的DNA大分子或者别的蛋白质分子所能保持稳定的能级范围给固定死了。这就是我在翻译中说这样的回答没有技术含量的原因。更有技术含量的问题就是你文中提到这些问题。这些问题都很难,其实直至今天流体力学也没有没有办法从量子力学的基本原理架构起来,这算是对你文中的说法的一些修正。

        凝聚态所研究的体系一般都是有一定规律或者有一定周期性结构的体系,而像生物这样的被物理学家归类为soft condensed matter的东西没有明显周期性结构的体系是很难入手的,应用量子力学进行深入研究刚刚起步,我们谁都无法知道究竟能进行到怎么程度。对于这篇综述的翻译,就是试图告诉大家,最近究竟进展到哪一步了,未来又会如何,让我们一起看看前沿。

        • 家园 生命所能生活温度尺度=non sr qm?

          "生命所能生活温度尺度已经被体内的DNA大分子或者别的蛋白质分子所能保持稳定的能级范围给固定死了"

          I remember you wrote some where that 量子场论 would have impact on the life on the earth as we know, non sr qm, kind of like qm in 量子通信, non sr version of qm as well?


          本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)
          • 家园 What's the meaning of "sr" ?

            What's the meaning of "sr" in your comment/question?

            • 家园 special relativity, I hope(:

              1. sorry for using such an uncommon term.

              2. if I remember: Schroedinger talked about life 分子 "能级 gap" as big eneough to stand normal heat noise or while noise disturbance from the environment?...

              3. question: Schroedinger inspired DNA discovery, in what sense?

              sorry for my broken language and thoughts

              PDF]

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              www.hilbertspaces.com/mindmaps/trouble_with.../unifications.pdf

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              1932 Von Neumann Hilbert space formulation of non-SR QM. -F paper. L' proposes a duality between ST, which includes gravity, and gauge theory (QFT) which ...

              Unifications in Physics

              www.hilbertspaces.com/mindmaps/trouble_with.../unifications.html

              1925 Schroedinger. Klein-Gordon: SR & wave eq. 1926 Klein, Gordon. QM fully formulated. 1926. Hilbert space formulation of non-SR QM. 1932 Von Neumann ...

              生命, as "non sr qm"

              www.cchere.com/article/3833692 - Translate this page

              生命, as "non sr qm" [ 晓兵 ] 于:2013-01-10 00:14:25 复:3833672. "生命所能生活温度尺度已经被体内的DNA大分子或者别的蛋白质分子所能保持稳定的能级范围给 ...

              生命所能生活温度尺度=non sr qm?

              www.cchere.com/article/3833672 - Translate this page

              1 day ago – I remember you wrote some where that 量子场论would have impact on the life on the earth as we know, non sr qm, kind of like qm in 量子通信, ...

              how about penrose reduction?

              www.cchere.com/article/3833664 - Translate this page

              1 day ago – 生命, as "non sr qm" 新 晓兵字282 2013-01-10 00:14:25 ... O how about penrose reduction? 新 O 晓兵字819 2013-01-09 23:10:00 ... O ...

              • 家园 Delbruck's model

                I have to read it further to get it..

                but you may understand it much faster,

                "Delbruck concluded that mutations are quantum transitions resulting from either random thermal fluctuations or the absorption of radiant energy, spontaneous mutations arising predominantly from thermal fluctuations rather than from natural radiation. Schrdinger, although relying heavily on Delbruck's work, failed to mention the discoveries of H. J. Muller on radiation-induced mutagenesis or the important role of complementariness in the specific attraction between molecules and their enzymatic synthesis, which was already suggested by Haldane (1937) and Pauling and Delbruck (1940). "

                http://www.genetics.org/content/153/3/1071.full

                Delbruck's model: Much of Schrdinger's discussion in What Is Life? was based on an article by Timofeef-Ressovsky et al. (1935) on the mutation rate induced by X rays in Drosophila melanogaster. A third section of that article was by Delbruck (a model of genetic mutation based on atomic physics). Perutz (1987) summarized Delbruck's results.

                After briefly reviewing the gene concept, Delbruck dealt with the nature of mutations and the stability of the gene. Since no direct methods for studying the chemical nature of the gene were then available, the problem was attacked indirectly by studying the nature and limits of gene stability and by asking whether the known facts about genes are consistent with the known facts of the atomic theory, especially with reference to the behavior of well-defined assemblies of atoms. Delbruck considered both vibrational and electronic transitions. He derived the relationship between the rate of such transition (W) and its activation energy (U). Delbruck stated that chemical bond energies are of the order of several electron volts, but argued that the activation energies of molecules cover an even wider range than his estimates indicate, so that reaction rates of any magnitude can result from a given set of circumstances. He concluded that evolution had stabilized the molecular structure of genes to the extent that their natural frequency of rearrangement is smaller by several orders of magnitude than the frequency of their reproduction. A single ionization, because of its much greater energy, should be sufficient to produce any given mutation, regardless of its natural frequency. On the basis of Delbruck's speculations with respect to the atomic structure of a gene, Schrdinger pointed out that “there is a fair chance of producing a mutation when an ionization occurs not more than about 10 atoms away from a particular spot on the chromosome.” However, Perutz (1987) summarized evidence indicating that Schrdinger's estimate was incorrect. An article published while Schrdinger's book was in press showed that the biological effects of ionizing radiation are due primarily to the generation of hydroxyl radicals and hydrogen atoms in the surrounding water (Weiss 1944). Other evidence since then has shown that the hydroxyl radicals and hydrated electrons can diffuse to their targets even if they are generated more than a thousand atomic diameters away (see Perutz 1987).

                • 家园

                  这段内容里面的分析很有味道,读起来很舒服。

                • 家园 gene stability,mutation

                  "This time it is easy to see that the energy gaps between the electronic levels are huge compared to the vibrational and rotational levels.

                  At room temperature, The large energy gap between the first electronic level and the next nearest level practically guarantees that all hydrogen molecules (and most other molecules) exist only in their electronic ground state.

                  1.is this the "gene stability" in Delbruck's model ?

                  2. on the other hand,mutation etc, door of opportunity is still wide open:

                  "It is, however, more likely that many molecules exist in different excited vibrational or rotational states"

                  also, indeterminacy induced

                  "enhancing the purely accidental nature in mutation, meiosis, and so on"

                  mind body, chinese tricks, soul, god..why not?

                  Schrdinger wrote that, contrary to the opinion held by some physicists, quantum indeterminacy plays no biologically relevant role in the space-time events in the body of a living being, except perhaps by enhancing the purely accidental nature in mutation, meiosis, and so on.

                  "Molecules can be made to jump between different energy levels, electronic, vibrational and rotational, by applying different frequencies of light. If the energy of the light matches the energy gap of the energy levels (among other criteria ... selection rules) then we may get an absorption pattern (spectrum) that can be used to uniquely identify the molecule."

                  • 家园 sr=the sole "complete"

                    "At room temperature, The large energy gap between the first electronic level and the next nearest level practically guarantees that all hydrogen molecules (and most other molecules) exist only in their electronic ground state"

                    would it also guarantees some kind of stupidity of human mind as a low level math reflection of hydrogen molecules stuff and their collections? (:)

                    so functioning "life" is basically non-sr, some qm, mostly chemical thermodynamical process, a process notoriously aimimg for a"low information high entropy", macro and statistical model for equilibrium system (and the border of the system?)

                    and heat equation's heat transfer is "instant"?

                    so far, the only "complete" theorectical science we have is sr,can we say that?

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