量子生物学是个什么鬼？
编者按：此文是薛宇教授《我们有没有自由意志？》一文的延续，薛教授在春节期间做了大量的功课写下这一系列具有深度的文章，非常不易，这样的文章非交叉学科出身的人定是难以写出的。自施一公教授在演讲中抛出“量子生物学”后很多做生物的同行都表示不解，可能暗自都在忖度着这到底是个什么玩意。本文深入浅出了描述了“量子生物学”的来龙去脉，相信同行们读后肯定获益匪浅。
量子生物学是个什么鬼？
薛宇 华中科技大学生命科学学院 教授
上一篇我们讲了自由意志的问题，因为自由意志与因果律挂钩，所以当发现不遵循因果律的现象，自然而然也就让人想到自由意志存在的问题。这个问题是个大问题，各路人马争吵了上千年也没有明确的结果，现在有了新的知识体系和技术手段，当然这个问题会继续吵下去。您要问：吵这个东西有意义吗？有意义。君不见成功人士们谈个人经历，上来就是从小家里很穷，父亲很穷，母亲很穷，如果有保姆的话那保姆也很穷，总之在一个穷困潦倒的世界里，通过个人奋斗取得成功。对吧，这是经典的鸡汤模式，相似的配方，熟悉的味道。如果你说，好吧，其实你的人生经历是决定的，穷不穷以及个人奋不奋斗与你的成功没有关系，你觉得那帮老板们会不会派马仔过来砍你？对吧，所以对科学知道不多的老板们会相信自由意志的存在，而对于职业科学家来说，我们既然相信因果律，那自然就不得不接受决定论。好了，关于自由意志这部分到此为止，咱接着来侃下一个问题：量子纠缠与一般生命科学的关系，或者说，量子生物学是个什么鬼？
量子生物学（Quantum Biology）当然不是一个新概念，很久很久以前就有。源头就是薛定谔，1944年写了本至今也很有影响力的书：《生命是什么？》（What Is Life?）。薛定谔是位伟大的物理学家，虽然不是专业的生物学者，但这本书写的相当的忽悠，并且忽悠了一代又一代的年轻物理学家投身于生物学的研究，例如Crick。这本书不长，翻来覆去讲一个概念，就是细胞很小，但原子更小，若生命的基本单元是原子（Atom），则因为随机性的缘故不可能产生稳定的变异并且遗传，所以生命应该研究分子（Molecule）。这本书成功的预言了分子生物学的时代，并且显然不仅仅局限于这一领域。
将这本书当成圣经的另一个学科是：生物信息学，或者叫计算生物学，或者叫理论生物学，或者叫量子生物学，总之名字变来变去但都是一家的。一般认为量子生物学或者量子生物化学（Quantum Biochemistry）由法国科学家Bernard Pullman和Alberte Pullman夫妇在上世纪50-60年代创立，量子生化算是量子化学的一个分支，后来咱请教专门搞药的红雨兄，说这对夫妇在量子化学里有名吗？答：不是很有名，主要是牛人太多了…因为薛定谔方程只能精确求解氢原子的电子轨道，而超过一个电子的体系没有办法求解轨道，所以Pullman夫妇发展了一种基于经验的估算方法LCAO（Linear combinations of atomic orbitals，原子轨道线性组合法），貌似利用这种方法可以解释某些带苯环的芳香烃可以致癌，而其他则不致癌，这些结果也写到他们夫妇1963年出版的专著中【1】。1975年，其时在中国科学院上海生物化学研究所工作的江寿平先生等人翻译了日本学者的专著《量子生物学入门》，介绍了当时量子生物学的发展历程，以及当时的最新进展【2】。1981年底，前苏联的学者Aleksandr Sergeevich Davidov出版了一本专著讲生物学和量子力学【3】，后来这本书于1990年被翻译成中文《生物学与量子力学》【4】，主要探讨的不是量子而是电子在生命系统中的重要性。所以量子生物学应该称为“电子生物学”才比较合适。1989年，刘次全先生等人编著了《量子生物学引论》【5】，次年刘次全先生与江寿平先生合作撰写了《量子生物学及其应用》一书【6】。
江寿平先生是国内最早从事理论/计算生物学研究的学者之一，64年与徐京华先生在《生物化学与生物物理学报》上发表论文，从热力学的角度讨论生化反应【7】。后来可能是文革的缘故，再发表论文的时候已经是十年之后，也就是1974年与周国城教授（Chou Kuo-Chen）在中国科学A辑上发表关于酶反应的理论研究，并且是全英文稿件【8】。在江寿平先生翻译的入门书里【2】，提到了1970年成立的国际量子生物学学会（International Society of Quantum Biology, ISQB），成立的时候会员不足百人。因此看上去好像很弱的样子。这个组织好像后来又换了马甲，改名为国际量子生物学与药学学会（International Society of Quantum Biology and Pharmacology, ISQBP），另外1967年还成立了一个国际量子分子科学院（International Academy of Quantum Molecular Science, IAQMS）。上面提到的Bernard Pullman也是发起人之一。这个科学院很有意思，要求是65岁以下的院士不超过35个，但65岁之上则没有要求，所以2006年的时候这个学院大约有90个院士。ISQB, ISQBP以及IAQMS绝不是无足轻重的小角色，其中2013年因分子动力学获诺奖的Martin Karplus于1979年获得ISQB的“杰出贡献奖”（Awardfor Outstanding Contribution），而同年另一位获奖者Arieh Warshel也是1993年ISQBP的年度奖励（Annual Award）。量子生物学至今仍然是研究活跃的领域，2016年6月ISQBP将在挪威召开会议。ISQBP的目标是为化学家、药学家和生物学家提供讨论平台，扩大和延伸生物学、化学、药物化学、化学生物学、药物发现、药学、生物信息学、基因组学和蛋白质组学等领域计算方法的影响力。
量子生物学是中国生物信息学的前身，其主要承诺是从电子的角度研究生命现象，并且逐渐演变成为当今生信三大研究方向之一的结构生物信息学领域，只是研究的重点已从电子改为三维结构的生物大分子。此外，随着人类基因组计划的开始，我国早期的计算生物学/生物信息学者开始关注序列数据，也就是分子而不是电子，因此后来形成三大研究方向的另一个即序列分析领域。当然，近年来物理学和生命科学发展都很快，出现了很多新技术和新思路，例如我在微博上的一位好友，与合作者实现了低温冷冻条件下的微生物量子叠加态，这当然是量子生物学的研究，虽然与生信没有关系。
最后做个总结：第一，施老师讲的挺好的，朋友圈里一堆吐槽量子生物学是个什么鬼，人家也是发过诺奖的领域好不好？量子生物学做了几十年，不能算是新学科了吧？第二，虽然咱数理学的渣，但这里咱还是得说，数理很重要，物理学家们随便整个手抄本就能忽悠大家几十年还不亦乐乎的，这不，引力波刚发现了不是，搞的所有人都跟打鸡血了一样疯狂的刷微信。第三，你看，物理学重要问题又少了一个，很多很多年前就有物理学家讲了，漂亮的姑娘们都让人挑走了，现在就剩下那些不漂亮的了。咱生物学美女多撒，大把的问题可以做，什么东西都没有讲清楚，所以还是搞生物有前途，尤其是生信。昨晚上一众好朋友在讨论引力波，说达尔文的《物种起源》能赶得上老爱的相对论了吧？兄弟我很负责任的答：差不多也就跟德谟克利特的原子论有的一拼，再努力个两百年没准就进入阿基米德时代，然后再过个四百年我们就进入地心说，然后再过个一千年差不多进化到万有引力，然后当我们成为后人们眼中的上古时代的蛮夷时，差不多也就有了生命科学的相对论。所以慢悠悠做吧，急不来。
参考文献：
Bernard Pullman, AlbertePullman. (1963) Quantum Biochemistry. Interscience Publishers
永田亲义著，陶宗晋，江寿平译，孙玉昆校。（1975）量子生物学入门，上海科学技术出版社
A. S. Davydov，（1981）Biology and Quantum Mechanics，Pergamon Pr
(苏) A.C.达维多夫，（1990）《生物学与量子力学》，科学出版社
刘次全，温元凯，曹槐，陈洪编著，（1989）《量子生物学引论》，科学出版社
刘次全主编，江寿平审校，（1990）《量子生物学及其应用》，高等教育出版社
徐京华; 江寿平，（1964）生物化学反馈反应的研究Ⅱ.简单系统的热力学特性，生物化学与生物物理学报，4(4): 374-380
Kuo-chen C, Shou-ping J. (1974)Studies on the rate ofdiffusion-controlled reactions of enzymes. Spatial factor and force fieldfactor. Sci Sin., 27(5):664-80.