1.1. 每种人类文化都有关于生命起源的珍贵神话传说
1.2. 人类其实经常陷入反思，到底怎样才能解释地球上如此辉煌的丰富度和多样性
1.3. 生命起源也许算得上是人类有史以来最大的谜团之一
1.3.1. 这个问题在宗教、哲学和科学讨论中都占据着主导地位
1.3.2. 纵观历史，许多最深刻的思想家都认为，有一种神秘的“生命力”可以使无生命体获得生命
1.3.3. 许多科学家则相信“自然发生”，即生命可以神奇地从无生命物质中自然而然地发生
1.4. 对生命是如何在大约40亿年前首次起源于地球的相关认识还是一知半解
1.4.1. 如果想要在原子水平上分析基本生物和化学过程，数字计算机基本上可以说是帮不上任何忙的
1.4.2. 即使是最简单的分子过程，也会很快超过数字计算机所能够承载的计算能力
1.4.3. 量子力学则很有可能帮助我们缩小这种解释能力上的差距，从而帮助我们揭开生命起源的奥秘
1.4.3.1. 现在已经开始在分子水平上探索生命发生过程中的一些最深层秘密了
2. 第一次突破2.1. 第一次突破出现在1952年，当时芝加哥大学哈罗德·尤里教授的研究生斯坦利·米勒做了一个简单的实验
2.1.1. 他从一烧瓶水开始，然后加入有毒的化学物质，包括甲烷、氨、水蒸气、氢和其他物质，他认为这些物质模仿了早期地球恶劣的大气环境
2.1.2. 为了给这个生态系统增加一些能量（也许是用来模仿闪电或太阳的紫外线辐射），他又添加了一个小的电火花
2.1.3. 最后，他离开这个实验系统长达一周
2.1.4. 当他回来的时候，他发现烧瓶里产生了一种红色液体
2.1.4.1. 这种红色是由氨基酸引起的，而氨基酸是组成人体蛋白质的基本成分
2.1.4.2. 构成生命的基本成分在没有任何外界干扰的情况下形成了
2.2. 从海底热液喷口中发现的有毒化学物质可能提供了创造生命的最初的化学物质所需的基本元素，而这些火山喷口可能提供了能量，将这些化学物质转化为生命所需的氨基酸
2.3. 知道生命起源的基本条件
2.3.1. 氨基酸已经在许多光年外的遥远气体云中或外太空陨石的内部被发现
2.3.2. 碳基氨基酸可能是整个宇宙中形成生命的种子
2.3.3. 一切都源自氢、碳和氧的简单键合性质
2.4. 应用量子力学逐步发现地球上生命起源的量子过程应该是可能的
2.4.1. 基本的量子理论一方面有助于我们更加深层次地去理解为什么米勒实验能够如此成功
2.4.2. 另一方面也可能为我们在未来完成更进一步的发现指明道路
2.5. 使用量子力学，可以计算出打破甲烷、氨等的化学键以产生氨基酸所需的能量
2.5.1. 米勒实验中的电火花有足够的能量来实现这一点
2.5.2. 如果破坏这些化学键所需的活化能要大得多，那么在这个实验系统当中，生命就永远不会出现了
2.6. 碳有6个电子
2.6.1. 2个位于第一能级轨道，其余的位于第二能级轨道的4个空间
2.6.1.1. 这为碳原子留出4个化学键
2.6.2. 在元素周期表中，有4个化学键的元素是十分稀少的
2.6.3. 量子力学理论可以帮助我们建立包括碳、氧和氢的又长又复杂的反应链，从而最终产生氨基酸
2.7. 化学反应发生在水(H2O)中，H2O就像一个熔炉，不同的分子在这里相遇并形成更复杂的化学物质
2.7.1. 利用量子力学，人们发现水分子的形状像字母L，并且可以计算出两个氢原子彼此成104.5度角
2.7.2. 反过来意味着水分子的净电荷在分子周围分布不均匀
2.7.3. 这个净电荷足够大，可以分解其他化学物质的弱化学键，所以水可以溶解许多化学物质
3. 第二个突破3.1. 第二个突破直接来自量子力学
3.2. 生命本身是量子力学的一个副产品，生命的蓝图编码就存在于一个未知分子当中
3.3. 如果生命的基础可以在一个分子中找到，那么他们的任务就将是找到这个分子，并证明它携带了生命密码
3.4. 生命分子一定隐藏在细胞核的遗传物质中，其中大部分是由一种名为DNA的化学物质组成的
3.4.1. 利用基于量子理论的X射线晶体学过程来寻找这种神秘分子
3.5. 与可见光不同，X射线的波长可以和原子一样小
3.6. 由双螺旋结构产生的
3.6.1. 在确定DNA的整体结构是一个双螺旋，就像两个相互包裹的楼梯之后，他们就能够在这种DNA结构的基础上，一个原子接一个原子地将DNA拼凑完整了
3.7. 量子力学可以帮助他们确定含有碳、氢和氧原子的化学键到底是以怎样的角度连接的
3.7.1. 重建了DNA的完整原子结构，并解释了它是如何实现自我复制的，而这种理论又为所有生物的成长发育做出了有效解释
3.8. 在20世纪，查尔斯·达尔文绘制了生命之树，所有的树枝都代表了丰富的多样性
3.9. 当DNA分子被解开之后，他们发现其是由四簇原子组成的，并称之为核酸
3.9.1. 这四种核酸被称为A、C、T和G，以线性序列排列，形成两条平行的长线，好像楼梯那样交叉在一起，形成DNA分子
3.10. 困难的部分是破译这个分子当中隐藏的数十亿个生命密码
4. 物理学与生物技术4.1. 沃尔特·吉尔伯特
4.1.1. 哈佛大学生物化学家、诺贝尔奖获得者沃尔特·吉尔伯特是基因测序的先驱，他对我们所有的基因进行了测序
4.1.2. 研究生物学是他最不可能想到的事
4.1.2.1. 从理论基本粒子物理学转向了生物学
4.1.3. 量子物理学家利用高级微积分异军突起，取得了重大突破
4.1.3.1. 精通量子力学的深奥语言帮助他取得了突破，改变了我们对生命分子基础的理解
4.1.4. 在1980年获得了诺贝尔化学奖
4.1.4.1. 主要成就在于，他是最早开发出快速读取DNA分子的技术的人之一
4.2. 弗朗西斯·柯林斯
4.2.1. 在化学中，他看到了可以学习和复制的秩序、规则和模式
4.2.2. 他教授物理化学，用薛定谔方程来解释分子的内部运作
4.2.3. 1989年，他发现了导致囊性纤维化的基因突变
4.2.3.1. 这是由DNA中缺失了三个碱基对引起的（从ATCTTT到ATT）
5. 生物技术的三个发展阶段5.1. 第一阶段：绘制基因组
5.1.1. 沃尔特·吉尔伯特和其他人完成了人类基因组计划，这是有史以来最重要的科学事业之一
5.1.2. 人类基因组的目录就像一本词典，有20000个条目，并且没有任何详细定义
5.1.3. 其本身而言，这当然是一个巨大的成就
5.1.3.1. 就其效用而言，这个成就其实并没有什么实际作用
5.2. 第二阶段：确定基因功能
5.2.1. 弗朗西斯·柯林斯和其他人试图填补这些基因的定义
5.2.2. 通过对疾病、组织、器官等进行测序，我们就可以汇编这些基因的运作方式
5.2.3. 这个词典还是在这些科学家的坚持下逐渐被补充完整了
5.3. 第三阶段：修改和改进基因组
5.3.1. 意味着使用量子计算机来破译这些基因在分子水平上的运作方式，就可以设计出新的疗法，并创造出新的工具来治疗不治之症
5.3.2. 一旦我们了解疾病究竟是如何在分子水平上造成损害的，我们就可以利用这些知识设计出新的技术来有效干预甚至治愈这些疾病
6. 生命的悖论6.1. 最早的10亿年，地球一直处于熔融状态，温度过高，无法维持生命
6.2. DNA被认为起源于约37亿年前，这意味着在海洋形成数亿年后，DNA突然就在地球上出现了，并完成了利用能量和繁殖的化学过程
6.3. 弗雷德·霍伊尔
6.3.1. 宇宙学的伟大先驱之一
6.3.2. 泛种论
6.3.2.1. 认为，由于DNA出现的速度太快，快到根本没有足够的时间来让生命在地球上慢慢形成，所以它一定来自外太空
6.3.2.2. 通过观察陨石中的矿物含量和微小气泡，我们发现这与太空探测器在火星上发现的岩石完全匹配
6.3.2.3. 在已经发现的60000颗陨石中，至少有125颗被确定来自火星
6.3.2.4. 如果岩石可以从火星降落到地球，那么为什么DNA不能呢？
6.4. 现在人们认为，可能有几十颗流星在火星、金星、月球和地球之间飘移，这些流星的冲击力足以将岩石送入太空，并最终降落在另一颗行星上
6.4.1. 确实不能排除DNA来自地球以外其他地方的可能性
6.5. 量子理论可以帮助我们了解到还有几种机制可以加快这一化学过程
6.5.1. 通常牛顿规则之下看上去完全不可能的路径，实际上可以用量子力学解释
6.6. 酶可以加快化学过程
6.6.1. 可以帮助化学物质聚集在一起，从而使其快速反应，并降低能量阈值，从而打破能量屏障的一些要求
6.6.2. 即使是极不可能发生的化学反应，也有一定可能成为现实
6.6.3. 根据量子理论，看似违反能量守恒的化学反应，在一定程度上也具有其合理性
6.6.3.1. 量子力学可能才是地球上生命起源如此之早的原因
7. 计算化学与量子生物学7.1. 量子计算机的飞速发展催生了新的科学，称为计算化学和量子生物学
7.2. 原则上，根据第一性原理，如果知道分子是如何相互作用的，就有可能比较精确地创造出新的美味食谱
7.3. 随着分子结构被揭示得越来越深入，相关计算也就越快地脱离经典计算机可以计算模拟的领域
7.4. 除非我们只是想要一个近似值，否则任何经典计算机都无法完成如此精确的计算
7.4.1. 量子计算机现在已经发展到了可以对小分子的能量学和性质进行建模的程度
7.5. 原子是量子的，计算机是量子的。一旦我们能够使用量子计算机，就可以准确地知道每个原子究竟是如何与其他原子相互作用的。
7.5.1. 弗吉尼亚理工大学的朱玲华
7.5.2. 需要曲线来模拟曲线
7.5.3. 只有量子计算机才能捕捉量子系统的复杂性，例如化学物质和生命的组成部分
7.6. 量子计算机还能够模拟涉及氢和氮的化学反应，甚至可以精确到只改变其中一个氢原子的位置
