生命科学中的量子化思维

生命现象是自然界中最复杂的问题之一。在解读生命现象时，有时我们的思维具有很大的传统思维惯性，科研思路难免存在局限，如果不转换一下思路，科研常常会困难重重。这种状况正像一个世纪以前，也就是20世纪初，如果没有量子概念的提出，物理学就举步维艰。

现在人们这样评价量子概念：量子概念的引入，确实不愧为牛顿以后最伟大的发现。普朗克的工作打响了20世纪物理学革命的第一枪。它带来了出人意料的科学上、技术上、社会上、哲学上的多种多样的巨大变革，而量子理论也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想模式”。但套用普朗克自己的话却是：“量子化只不过是一个走投无路的做法。”

量子论对自然科学产生了巨大的影响，但在生命科学领域，量子理论几乎是沉睡了整整一个世纪。在网上以“量子医学”为检索词做一下检索，结果可以检索到27 000多条信息。但结果却令人啼笑皆非，据说量子医学是某国某人的发明专利，并且具有神奇的诊断和治疗功能。据称量子医学是建立在量子力学、量子生物学、量子药理学和生命信息学基础上的现代医学新门类。它将医学从细胞层次推进到了构成人体的基本微粒子——量子层次。为治愈当今世界众多“不治之症”，开辟了新途径……而量子检测仪可测出只有5个癌细胞的肿物。及早发现并用量子矫正液治疗，可使癌细胞消失在萌芽状态。同时，量子检测仪还可以减少误诊。

量子医学成了江湖医生的招牌，足可见量子论在生命科学中的不幸处境。要揭穿这些伪科学的招牌，还要从量子的基本概念出发，弄清什么是量子。在高山所著的《量子》一书中有这样的描述：“量子理论是关于自然界的最基本的理论，简单地说，量子就是自然的一种属性——分立性或非连续性……然而，令人不可思议的是，人们至今仍未能理解量子理论的含义，并一直为此争论不休。”

很显然，尽管量子理论取得了巨大的成功，但到目前为止，量子的概念仍处在完善和发展之中，无论在物理学中还是在生命科学中，我们都不能把量子理解成为一种或几种基本粒子。否则，量子论在生命科学中将走入歧途。从生命科学的角度出发，连续的生命过程是由间断的，也就是非连续的，相对独立的基本事件构成的，那么这种基本事件就可以称为量子事件。从这个角度出发，生命中的量子事件几乎无处不在。

生命中的量子事件可以分为若干个层次：① 单分子或离子层次，比如构成生物大分子的核酸、氨基酸，以及生物大分子如抗原与抗体、配体与受体等以及电解质离子等，这些分子或离子都符合量子的定义。② 多分子或多离子层次。这在医学中已经有典型的描述，比如神经末梢的突触间隙，神经递质通过囊泡的胞裂外排进行量子化释放，每一囊泡含有1000～50 000分子乙酰胆碱或约10 000分子去甲肾上腺素。而且量子释放可能是细胞受激释放的普遍规律［1］。此外神经或肌肉细胞产生的动作电位是由离子通道的激活造成的，这种细胞膜内外离子的转运也具有量子化的特征。③ 单细胞层次。任何细胞的功能都具有量子的特征。④多细胞层次，比如Frost提出骨改建的基本多细胞单位，以及McKibbin提出的初始骨痂反应等。生命中量子事件的其他层次，比如器官以至个体层次在此不进行讨论。

从以上分析我们可以看出，生命中的量子概念和基本物质粒子是完全不同的概念，它是物理学量子概念在生命科学中的哲学延伸，因此，很难在生命科学中运用精确的量子计算。量子论在20世纪的生命科学研究中备受冷落，但现在该是套用量子论的奠基人普朗克话的时候了，“量子化只不过是一个走投无路的做法”。那种认为生命现象是连续过程的传统观念事实上已经走投无路了。

以骨折愈合为例，McKibbin提出的初始骨痂反应实际上是发现了骨折愈合过程的基本量子，骨折愈合过程可快可慢，可进可停都是因为初始骨痂反应实际上是非连续发生的间断事件，否则就无法解释骨折愈合的各种现象。

量子化不但是物质间能量交换的基本规律，也可能是生命系统内外信息交换和储存的基本规律。比如人的各种感觉，包括视、听、嗅、味，触、痛、温热等都是通过神经纤维传入中枢系统的，这种感觉的传入具有明显的量子化特征，首先各种感觉是通过细胞产生动作电位来进行传导的，对同一个细胞，动作电位的波形及幅度不因外界刺激的强度而改变，只要达到阈值就会发生，神经冲动不但在产生时具有量子化特征，在传导时具有不衰减，不融合性。因此，有理由认为人体对各种感觉信息的储存也应该是量子化的，感觉量子是人类认知与思维的基础。

由于相同的感觉量子反复地传入，中枢神经细胞对相同的感觉量子基本会产生相同的细胞反应，这种对感觉量子相同或相似的反应可能是记忆和思维的基础。因此，量子化思维可能是破解生命之谜的必由之路，在解释骨折愈合机制问题时已经有所体现。量子实际代表了可以重复的物质基础，而世界上没有任何不可重复的客观规律。

参考文献

［1］　黄卫华，胡深，庞代文，等．单个细胞释放时空监测．科学通报，1999，44（99）：20．