ABOUT THE SPEAKER
Jim Al-Khalili - Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge."

Why you should listen
A professor of physics at the University of Surrey, Jim Al-Khalili doubles as a science communicator and broadcaster. He’s the co-author with Johnjoe McFadden of Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. The book explores this emerging -- and still largely speculative -- area of science suggesting that quantum mechanics may play a role in biology. If so, it may help us understand what drives genetic mutations that lead to cancer, or how robins fly from Scandinavia to the Mediterranean.
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Jim Al-Khalili: How quantum biology might explain life's biggest questions

量子生物学如何解答关于生命的最重要问题

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知更鸟如何向南迁徙?其原因或比你想的还奇怪:因为它到了牵涉量子力学。Jim Al-Khalili的演讲集合了量子生物世界里的一些极其新颖、迥异的例子,其中一个被爱因斯坦称为“鬼魅般的超具作用”参与了鸟类的导航,且量子效应或可为我们揭示生命的起源。
- Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge." Full bio

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00:13
I'd like to introduce介绍 you
to an emerging新兴 area of science科学,
0
1190
4528
我想给大家介绍一个新兴的科学领域,
00:17
one that is still speculative投机
but hugely巨大 exciting扣人心弦,
1
5742
3943
这个领域还处在理论阶段,但也很激动人心,
00:21
and certainly当然 one
that's growing生长 very rapidly急速.
2
9709
2629
当然目前发展也很迅猛。
00:25
Quantum量子 biology生物学
asks a very simple简单 question:
3
13448
4048
量子生物学提出了一个非常简单的问题:
00:29
Does quantum量子 mechanics机械学 --
4
17520
1350
量子力学——
00:30
that weird奇怪的 and wonderful精彩
and powerful强大 theory理论
5
18894
3302
这是个关于原子和分子的亚原子世界理论,
00:34
of the subatomic亚原子 world世界
of atoms原子 and molecules分子
6
22220
2688
一个既神秘又奇妙还很强大的理论,
00:36
that underpins巩固 so much
of modern现代 physics物理 and chemistry化学 --
7
24932
3488
也是支撑着现代物理学和化学的理论——
00:40
also play a role角色 inside the living活的 cell细胞?
8
28444
3412
那它是否也在活体细胞里起着重要作用呢?
00:43
In other words: Are there processes流程,
mechanisms机制, phenomena现象
9
31880
4079
换句话说:在生物体当中,
00:47
in living活的 organisms生物
that can only be explained解释
10
35983
3988
是否有一些过程、生理反应、现象,
00:51
with a helping帮助 hand
from quantum量子 mechanics机械学?
11
39995
2743
是只能借助量子力学来解释的呢?
00:55
Now, quantum量子 biology生物学 isn't new;
12
43546
1637
其实量子生物学也不算新学科;
00:57
it's been around since以来 the early 1930s.
13
45207
2401
它的历史可追溯至20世纪30年代。
00:59
But it's only in the last decade or so
that careful小心 experiments实验 --
14
47928
3715
但是直到十年前左右,才有了周密的实验——
01:03
in biochemistry生物化学 labs实验室,
using运用 spectroscopy光谱 --
15
51667
3464
就是在生化实验室,利用光谱仪来做的实验——
01:07
have shown显示 very clear明确, firm公司 evidence证据
that there are certain某些 specific具体 mechanisms机制
16
55155
6863
结果给出了非常明确有力的证据,说明确实有某些生理反应
01:14
that require要求 quantum量子 mechanics机械学
to explain说明 them.
17
62042
2511
需要通过量子力学来解释。
01:17
Quantum量子 biology生物学 brings带来 together一起
quantum量子 physicists物理学家, biochemists生物化学家,
18
65674
3329
量子生物学集合了物理学家、生化学家
01:21
molecular分子 biologists生物学家 --
it's a very interdisciplinary跨学科 field领域.
19
69027
3641
和分子生物学家——是一个极其跨学科的领域。
01:24
I come from quantum量子 physics物理,
so I'm a nuclear physicist物理学家.
20
72692
3929
我来自量子物理学领域,是个核物理学家。
01:28
I've spent花费 more than three decades几十年
21
76645
2265
我花了三十多年的时间
01:30
trying to get my head
around quantum量子 mechanics机械学.
22
78934
2929
来试图理解量子力学。
01:33
One of the founders创始人
of quantum量子 mechanics机械学, Niels尼尔斯 Bohr玻尔,
23
81887
2493
Niels Bohr,量子力学之父之一,
01:36
said, If you're not astonished惊讶 by it,
then you haven't没有 understood了解 it.
24
84404
3350
说过,谁要是第一次听到量子理论时没有感到震惊,那他一定没听懂。
01:40
So I sort分类 of feel happy快乐
that I'm still astonished惊讶 by it.
25
88237
2843
我还蛮庆幸自己现在还挺震惊的。
01:43
That's a good thing.
26
91104
1745
这是个好事。
01:44
But it means手段 I study研究 the very
smallest最少 structures结构 in the universe宇宙 --
27
92873
6885
这是个好但这也说明我研究的只是这个宇宙最小的结构,
01:51
the building建造 blocks of reality现实.
28
99782
2075
这个建立现实世界的一砖一瓦。
01:53
If we think about the scale规模 of size尺寸,
29
101881
3215
要想知道这个结构的大小,
01:57
start开始 with an everyday每天 object目的
like the tennis网球 ball,
30
105120
2952
那么我们从网球这种日常物品开始吧,
02:00
and just go down orders命令
of magnitude大小 in size尺寸 --
31
108096
2901
然后将物体按大小将序排列——
02:03
from the eye of a needle down to a cell细胞,
down to a bacterium细菌, down to an enzyme --
32
111021
5197
从针眼,到细胞,到细菌,再到酶——
02:08
you eventually终于 reach达到 the nano-world纳米世界.
33
116242
1729
最后才到纳米世界。
02:09
Now, nanotechnology纳米技术 may可能 be
a term术语 you've heard听说 of.
34
117995
2495
你们也许都听过纳米技术这个词。
02:12
A nanometer纳米 is a billionth十亿 of a meter仪表.
35
120841
2853
一纳米就是十亿分之一米。
02:16
My area is the atomic原子 nucleus,
which哪一个 is the tiny dot inside an atom原子.
36
124560
4370
我的研究领域是原子核,也就是原子当中的那小个点。
02:20
It's even smaller in scale规模.
37
128954
1932
它体积比这更小。
02:22
This is the domain of quantum量子 mechanics机械学,
38
130910
1918
这就是量子力学的领域,
02:24
and physicists物理学家 and chemists化学家
have had a long time
39
132852
2516
而物理学家和化学家花了很长的时间
02:27
to try and get used to it.
40
135392
1301
来努力适应这个领域。
02:29
Biologists生物学家, on the other hand,
have got off lightly轻轻, in my view视图.
41
137248
4457
而生物学家,在我看来,很轻松就避开了它。
02:34
They are very happy快乐 with their
balls-and-sticks球和枝 models楷模 of molecules分子.
42
142071
4331
他们很满足于这些分子球棍模型。
02:38
(Laughter笑声)
43
146426
1082
(笑声)
02:39
The balls are the atoms原子, the sticks
are the bonds债券 between之间 the atoms原子.
44
147532
3198
这球指的是原子,棍负责把原子连在一起。
02:42
And when they can't build建立 them
physically物理 in the lab实验室,
45
150754
2494
如果在实验室里无法建立起实体的分子模型,
02:45
nowadays如今, they have
very powerful强大 computers电脑
46
153272
2392
现在,他们也可以用强大的电脑
02:47
that will simulate模拟 a huge巨大 molecule分子.
47
155688
1967
来建立模拟的巨大分子模型。
02:49
This is a protein蛋白 made制作 up
of 100,000 atoms原子.
48
157679
3664
这个蛋白质由100,000个原子组成。
02:54
It doesn't really require要求 much in the way
of quantum量子 mechanics机械学 to explain说明 it.
49
162003
4335
这不怎么需要量子力学来解释。
02:59
Quantum量子 mechanics机械学
was developed发达 in the 1920s.
50
167695
2889
量子力学从上世纪20年代开始发展。
03:02
It is a set of beautiful美丽 and powerful强大
mathematical数学的 rules规则 and ideas思路
51
170965
6880
这是一套美丽而又强大的数学法则和理念,
03:09
that explain说明 the world世界 of the very small.
52
177869
2608
帮人们理解这个世界最小的结构。
03:12
And it's a world世界 that's very different不同
from our everyday每天 world世界,
53
180501
3372
这是个和我们日常生活很不一样的世界,
03:15
made制作 up of trillions万亿 of atoms原子.
54
183897
1519
它由数万亿个原子组成。
03:17
It's a world世界 built内置
on probability可能性 and chance机会.
55
185440
3557
这是个建立在机率和概率之上的世界。
03:21
It's a fuzzy模糊 world世界.
56
189818
1302
是个模糊的世界。
03:23
It's a world世界 of phantoms幻影,
57
191144
1730
是个幽灵的世界,
03:24
where particles粒子 can also behave表现
like spread-out扩散;传播开 waves波浪.
58
192898
3348
在这里,粒子们也可表现出散开的波状形态。
03:30
If we imagine想像 quantum量子 mechanics机械学
or quantum量子 physics物理, then,
59
198157
2862
如果我们把量子力学或量子物理学想象成
03:33
as the fundamental基本的
foundation基础 of reality现实 itself本身,
60
201043
5214
现实世界的最根本基础,那么,
03:38
then it's not surprising奇怪 that we say
61
206281
1730
量子物理学支撑了有机化学,
03:40
quantum量子 physics物理 underpins巩固
organic有机 chemistry化学.
62
208035
2420
这种说法就不足为奇了。
03:42
After all, it gives us
the rules规则 that tell us
63
210479
2120
毕竟,它有一套原则,
03:44
how the atoms原子 fit适合 together一起
to make organic有机 molecules分子.
64
212623
2641
解释了原子如何组合在一起,从而建立起一个有机分子。
03:47
Organic有机 chemistry化学,
scaled缩放 up in complexity复杂,
65
215288
3239
有机化学,随着复杂度的增加,
03:50
gives us molecular分子 biology生物学,
which哪一个 of course课程 leads引线 to life itself本身.
66
218551
3322
又建立了分子生物学,而它又将我们带入生命科学。
03:54
So in a way, it's sort分类 of not surprising奇怪.
67
222174
1977
所以,从某个角度来说,这不足为奇。
03:56
It's almost几乎 trivial不重要的.
68
224175
1214
这算是鸡毛蒜皮了。
03:57
You say, "Well, of course课程 life ultimately最终
must必须 depend依靠 of quantum量子 mechanics机械学."
69
225413
4220
你会说,“嗯,生命当然最终要靠量子力学来解释。”
04:02
But so does everything else其他.
70
230141
2390
但此外的一切也都是如此。
04:04
So does all inanimate老成 matter,
made制作 up of trillions万亿 of atoms原子.
71
232555
3615
所有无机物,也都是由数万亿个原子组成的。
04:08
Ultimately最终,, there's a quantum量子 level水平
72
236501
4878
最后,我们得在量子的层面上
04:13
where we have to delve钻研 into
this weirdness怪事.
73
241403
2183
来探究这领域的神秘之处。
04:15
But in everyday每天 life,
we can forget忘记 about it.
74
243610
2416
但在日常生活中,我们会忘记它的神秘感。
04:18
Because once一旦 you put together一起
trillions万亿 of atoms原子,
75
246404
3199
因为,当数万亿个原子聚集在一起时,
04:21
that quantum量子 weirdness怪事
just dissolves溶解 away.
76
249627
2615
量子的神秘感就消失了。
04:27
Quantum量子 biology生物学 isn't about this.
77
255288
2569
量子生物学说的不是这个。
04:29
Quantum量子 biology生物学 isn't this obvious明显.
78
257881
2556
量子生物学没这么浅显。
04:32
Of course课程 quantum量子 mechanics机械学
underpins巩固 life at some molecular分子 level水平.
79
260461
4229
当然,量子力学在分子水平上支撑着生命。
04:37
Quantum量子 biology生物学 is about looking
for the non-trivial不平凡的 --
80
265254
6004
量子生物学旨在寻找重要的东西——
04:43
the counterintuitive有悖常理 ideas思路
in quantum量子 mechanics机械学 --
81
271282
4476
量子力学当中的反直觉观念——
04:47
and to see if they do, indeed确实,
play an important重要 role角色
82
275782
3015
然后了解它们是否会在
04:50
in describing说明 the processes流程 of life.
83
278821
2452
描述生命进程中起到重要的作用。
04:54
Here is my perfect完善 example
of the counterintuitivenesscounterintuitiveness
84
282653
5220
我有一个完美的例子来解释
04:59
of the quantum量子 world世界.
85
287897
1446
量子世界的反直觉观念。
05:01
This is the quantum量子 skier滑雪者.
86
289367
1251
这是个量子滑雪者。
05:02
He seems似乎 to be intact完整,
he seems似乎 to be perfectly完美 healthy健康,
87
290642
2640
他看起来很完整,看起来很健康,
05:05
and yet然而, he seems似乎 to have gone走了 around
both sides双方 of that tree at the same相同 time.
88
293306
4127
但是,他也好像同时穿过了那棵树的两边。
05:09
Well, if you saw tracks轨道 like that
89
297457
1663
嗯,当然,如果你看到这样的滑雪轨迹,
05:11
you'd guess猜测 it was some
sort分类 of stunt特技, of course课程.
90
299144
2309
你可能会觉得这是某种特技。
05:13
But in the quantum量子 world世界,
this happens发生 all the time.
91
301477
2591
但在量子世界里,这无时不刻都会发生。
05:16
Particles粒子 can multitask多任务,
they can be in two places地方 at once一旦.
92
304864
3026
粒子是可以进行多任务处理的,它们可以同时出现在两个地方。
05:19
They can do more than one thing
at the same相同 time.
93
307914
2328
它们在同一时间能执行多项任务。
05:22
Particles粒子 can behave表现
like spread-out扩散;传播开 waves波浪.
94
310266
2643
它们好像散开的涟漪一样。
05:25
It's almost几乎 like magic魔法.
95
313298
1599
就好比魔术。
05:27
Physicists物理学家 and chemists化学家 have had
nearly几乎 a century世纪
96
315538
2749
物理学家和化学家用了近一个世纪
05:30
of trying to get used to this weirdness怪事.
97
318311
2646
来适应这种神秘之物。
05:33
I don't blame the biologists生物学家
98
321445
1350
我也不怪生物学家
05:34
for not having to or wanting希望
to learn学习 quantum量子 mechanics机械学.
99
322819
2635
不用或不想学习量子力学。
05:37
You see, this weirdness怪事 is very delicate精巧;
100
325478
3198
你们看,这种神秘是很微妙的;
05:40
and we physicists物理学家 work very hard
to maintain保持 it in our labs实验室.
101
328700
4450
我们物理学家在实验室里下了很大功夫来稳定它。
05:45
We cool our system系统 down
to near absolute绝对 zero,
102
333174
4204
我们把我们的系统冷却到接近绝对零度,
05:49
we carry携带 out our experiments实验 in vacuums真空,
103
337402
1945
在真空中进行我们的实验,
05:51
we try and isolate隔离 it
from any external外部 disturbance骚乱.
104
339371
3527
我们努力将其从任何外界干扰中分离出来。
05:55
That's very different不同 from the warm,
messy, noisy嘈杂 environment环境 of a living活的 cell细胞.
105
343602
5078
那和活体细胞里温暖、凌乱又嘈杂的环境大相径庭。
06:01
Biology生物学 itself本身, if you think of
molecular分子 biology生物学,
106
349960
2787
生物学,就分子生物学而言
06:04
seems似乎 to have doneDONE very well
in describing说明 all the processes流程 of life
107
352771
3457
,它似乎在化学——化学反应方面
06:08
in terms条款 of chemistry化学 --
chemical化学 reactions反应.
108
356252
2486
非常好地阐释了所有的生命进程。
06:10
And these are reductionist还原,
deterministic确定性 chemical化学 reactions反应,
109
358762
4850
而这都是还原论、确定性的化学反应,
06:15
showing展示 that, essentially实质上, life is made制作
of the same相同 stuff东东 as everything else其他,
110
363636
5114
它们显示,生命的成分说到底和其他事物一样,
06:20
and if we can forget忘记 about quantum量子
mechanics机械学 in the macro world世界,
111
368774
3060
而且我们要是可以在宏观世界里忘掉量子力学,
06:23
then we should be able能够 to forget忘记
about it in biology生物学, as well.
112
371858
3246
那我们也可以在生物学中忘掉它。
06:27
Well, one man begged
to differ不同 with this idea理念.
113
375706
3364
然而,有个人不同意这个观点。
06:32
Erwin欧文 Schr薛定谔ödinger薛定谔,
of Schr薛定谔ödinger's薛定谔的 Cat fame名誉,
114
380062
3469
那就是埃尔温·薛定谔,他有个著名的薛定谔猫实验,
06:35
was an Austrian physicist物理学家.
115
383555
1317
是个奥地利物理学家。
06:36
He was one of the founders创始人
of quantum量子 mechanics机械学 in the 1920s.
116
384896
3183
他是20世纪20年代量子力学创始人之一。
06:40
In 1944, he wrote a book
called "What is Life?"
117
388663
2707
1944年,他写了本书叫做《生命是什么?》
06:43
It was tremendously异常 influential有影响.
118
391839
1731
这本书影响巨大。
06:45
It influenced影响 Francis弗朗西斯 Crick克里克
and James詹姆士 Watson沃森,
119
393594
2881
它影响了弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森,
06:48
the discoverers发现者 of the double-helix双螺旋
structure结构体 of DNA脱氧核糖核酸.
120
396499
2523
就是发现DNA双螺旋结构的那两个人。
06:51
To paraphrase意译 a description描述
in the book, he says:
121
399343
3668
在书中,他表达了这样的意思:
06:55
At the molecular分子 level水平,
living活的 organisms生物 have a certain某些 order订购,
122
403035
5786
在分子水平上,生命体有着某种秩序,
07:00
a structure结构体 to them that's very different不同
123
408845
3232
一种结构,使其和其他随机的热力学原子冲撞
07:04
from the random随机 thermodynamic热力学 jostling拥挤
of atoms原子 and molecules分子
124
412101
4736
以及一样复杂的无机质分子
07:08
in inanimate老成 matter
of the same相同 complexity复杂.
125
416861
3706
有着天壤之别。
07:13
In fact事实, living活的 matter seems似乎 to behave表现
in this order订购, in a structure结构体,
126
421504
5014
实际上,生命体似乎就是在一个结构中,以这种秩序运转着,
07:18
just like inanimate老成 matter
cooled冷却 down to near absolute绝对 zero,
127
426542
3834
就好像被冷却到近绝对零度的无机质一样,
07:22
where quantum量子 effects效果
play a very important重要 role角色.
128
430400
3033
量子理论在这里起到了很重要的作用。
07:26
There's something special特别
about the structure结构体 -- the order订购 --
129
434280
4160
活体细胞中的这个结构——这个秩序——
07:30
inside a living活的 cell细胞.
130
438464
1560
有着一些特别之处。
07:32
So, Schr薛定谔ödinger薛定谔 speculated推测 that maybe
quantum量子 mechanics机械学 plays播放 a role角色 in life.
131
440048
5293
所以,薛定谔推测,也许量子力学在生命学当中起到了某些作用。
07:38
It's a very speculative投机,
far-reaching深远 idea理念,
132
446096
3425
这是个极具推测性的且影响深远的观点,
07:41
and it didn't really go very far.
133
449545
2873
但也没怎么发展下去了。
07:45
But as I mentioned提到 at the start开始,
134
453536
1533
但正如我一开始说的,
07:47
in the last 10 years年份, there have been
experiments实验 emerging新兴,
135
455093
2799
在过去10年做了些实验,
07:49
showing展示 where some of these
certain某些 phenomena现象 in biology生物学
136
457916
4055
实验结果显示生物学中的某些现象
07:53
do seem似乎 to require要求 quantum量子 mechanics机械学.
137
461995
1763
确实需要量子力学来解释。
07:55
I want to share分享 with you
just a few少数 of the exciting扣人心弦 ones那些.
138
463782
3123
我想和大家分享几个最激动人心的实验。
08:00
This is one of the best-known最有名的
phenomena现象 in the quantum量子 world世界,
139
468215
3707
这是量子世界里最有名的现象之一,
08:03
quantum量子 tunneling隧道.
140
471946
1701
叫做量子隧穿。
08:05
The box on the left shows节目
the wavelike波浪, spread-out扩散;传播开 distribution分配
141
473671
4389
左边的框里有一个量子实体,它像波一样扩散开来——
08:10
of a quantum量子 entity实体 --
a particle粒子, like an electron电子,
142
478084
2761
这是个像电子一样的粒子,
08:12
which哪一个 is not a little ball
bouncing蹦蹦 off a wall.
143
480869
3637
它和从墙上反弹回来的小球不一样。
08:16
It's a wave that has a certain某些 probability可能性
of being存在 able能够 to permeate渗透
144
484530
4739
它是一个波,可以穿过
08:21
through通过 a solid固体 wall, like a phantom幻影
leaping跳跃 through通过 to the other side.
145
489293
3406
一个实心墙,像个幽灵似地从一边穿透到另一边。
08:24
You can see a faint smudge弄脏 of light
in the right-hand右手 box.
146
492723
4098
你在右手边的框里可以看到一些微弱的光斑。
08:29
Quantum量子 tunneling隧道 suggests提示 that a particle粒子
can hit击中 an impenetrable费解的 barrier屏障,
147
497773
4612
量子隧穿表明,一个粒子能够撞上一堵无法穿透的墙,
08:34
and yet然而 somehow不知何故, as though虽然 by magic魔法,
148
502409
2460
然而却又能像魔术一样,
08:36
disappear消失 from one side
and reappear再现 on the other.
149
504893
2444
从墙的一侧消失并出现在另一侧。
08:39
The nicest最好 way of explaining说明 it is
if you want to throw a ball over a wall,
150
507658
4251
用最好的方法来解释的话,就是说如果你要把一个球扔到墙的另一侧,
08:43
you have to give it enough足够 energy能源
to get over the top最佳 of the wall.
151
511933
3577
那你要给它足够能量让它越过墙顶。
08:47
In the quantum量子 world世界,
you don't have to throw it over the wall,
152
515534
3058
但在量子世界里,你不需要将它从墙顶上扔过去,
08:50
you can throw it at the wall,
and there's a certain某些 non-zero非零 probability可能性
153
518616
3407
你只要往墙上扔就好了,然后这个球会在你这侧消失并出现在另一侧,
08:54
that it'll它会 disappear消失 on your side,
and reappear再现 on the other.
154
522047
3323
而这个概率为非零。
08:57
This isn't speculation推测, by the way.
155
525394
1678
这不是推测,顺便提下。
08:59
We're happy快乐 -- well, "happy快乐"
is not the right word --
156
527096
3396
我们很高兴——额,“高兴”这个词用得不对——
09:02
(Laughter笑声)
157
530516
2045
(笑声)
09:04
we are familiar with this.
158
532585
1618
我们是熟悉这个的。
09:06
(Laughter笑声)
159
534227
2745
(笑声)
09:08
Quantum量子 tunneling隧道
takes place地点 all the time;
160
536996
2294
量子隧穿随时随刻都在发生;
09:11
in fact事实, it's the reason原因 our Sun太阳 shines.
161
539314
2667
实际上,这也是太阳发光的原因。
09:14
The particles粒子 fuse保险丝 together一起,
162
542655
1509
粒子融合在一起,
09:16
and the Sun太阳 turns hydrogen
into helium through通过 quantum量子 tunneling隧道.
163
544188
3698
然后太阳通过量子隧穿将氢转化为氦。
09:21
Back in the 70s and 80s, it was discovered发现
that quantum量子 tunneling隧道 also takes place地点
164
549464
5220
七八十年代的时候,人们发现活细胞中
09:26
inside living活的 cells细胞.
165
554708
1192
也有量子隧穿。
09:28
Enzymes, those workhorses工作母机 of life,
the catalysts催化剂 of chemical化学 reactions反应 --
166
556290
6266
酶,为维持生命努力运作着,是化学反应的催化剂——
09:34
enzymes are biomolecules生物分子 that speed速度 up
chemical化学 reactions反应 in living活的 cells细胞,
167
562580
4166
酶这种生物分子加快了活细胞中的化学反应,
09:38
by many许多, many许多 orders命令 of magnitude大小.
168
566770
1703
规模大小不一。
09:40
And it's always been a mystery神秘
how they do this.
169
568497
2784
但它们是如何做到这点的,至今任是一个谜。
09:43
Well, it was discovered发现
170
571650
1189
嗯,人们发现
09:44
that one of the tricks技巧 that enzymes
have evolved进化 to make use of,
171
572863
4852
酶发展出了一种方法,
09:49
is by transferring转移 subatomic亚原子 particles粒子,
like electrons电子 and indeed确实 protons质子,
172
577739
5228
就是通过传送亚原子粒子,例如电子和当然还有质子这种,
09:54
from one part部分 of a molecule分子
to another另一个 via通过 quantum量子 tunneling隧道.
173
582991
4661
酶通过量子隧穿将它们从分子的一部分传输到另一部分。
10:00
It's efficient高效, it's fast快速,
it can disappear消失 --
174
588333
2851
这效率非常高,很快,它——
10:03
a proton质子 can disappear消失 from one place地点,
and reappear再现 on the other.
175
591208
3111
一个质子能从一个地方消失,然后在另一个地方再出现。
10:06
Enzymes help this take place地点.
176
594343
1629
而酶使之成为可能。
10:08
This is research研究 that's been
carried携带的 out back in the 80s,
177
596548
2683
这个研究是在80年代进行的,
10:11
particularly尤其 by a group
in Berkeley伯克利, Judith朱迪思 KlinmanKlinman.
178
599255
4037
其中Judith Klinman带领的一个伯克利的团队作用尤其突出。
10:15
Other groups in the UK联合王国
have now also confirmed确认
179
603316
2205
另一些英国的团队现在也已肯定
10:17
that enzymes really do this.
180
605545
1411
酶有这种能力。
10:21
Research研究 carried携带的 out by my group --
181
609048
2549
我的团队做的研究——
10:23
so as I mentioned提到,
I'm a nuclear physicist物理学家,
182
611621
2434
我之前说过,我是个核物理学家,
10:26
but I've realized实现 I've got these tools工具
of using运用 quantum量子 mechanics机械学
183
614079
3055
但我也意识到,我已在原子核领域应用了量子力学,
10:29
in atomic原子 nuclei原子核, and so can apply应用
those tools工具 in other areas as well.
184
617158
5085
那么我也可以把它也应用到其他领域。
10:35
One question we asked
185
623404
1810
我们提出的一个问题是
10:37
is whether是否 quantum量子 tunneling隧道
plays播放 a role角色 in mutations突变 in DNA脱氧核糖核酸.
186
625238
4298
量子隧穿在DNA变异中是否也发挥着作用。
10:41
Again, this is not a new idea理念;
it goes all the way back to the early 60s.
187
629843
3660
这仍然不是个新概念;它任然要追溯到60年代早期。
10:45
The two strands of DNA脱氧核糖核酸,
the double-helix双螺旋 structure结构体,
188
633527
2961
DNA分子链,即双螺旋结构,
10:48
are held保持 together一起 by rungs梯级;
it's like a twisted扭曲 ladder阶梯.
189
636512
2823
是由像阶梯一样的东西连接在一起的;像是个扭曲的梯子一样。
10:51
And those rungs梯级 of the ladder阶梯
are hydrogen bonds债券 --
190
639359
3507
而这些梯子上的阶梯就是氢键——
10:54
protons质子, that act法案 as the glue
between之间 the two strands.
191
642890
3790
质子,其作用是将两束分子链黏合在一起。
10:58
So if you zoom放大 in, what they're doing
is holding保持 these large molecules分子 --
192
646704
4750
那么放大来看,你就会发现它们将这些大分子——
11:03
nucleotides核苷酸 -- together一起.
193
651478
1607
核苷酸——聚合在一起。
11:06
Zoom放大 in a bit more.
194
654130
1150
再放大一点看:
11:07
So, this a computer电脑 simulation模拟.
195
655304
1916
这是个电脑模拟。
11:09
The two white白色 balls
in the middle中间 are protons质子,
196
657855
3542
中间的两个白色的球是质子,
11:13
and you can see that
it's a double hydrogen bond.
197
661421
2299
你们看得到这是双氢键。
11:15
One prefers喜欢 to sit on one side;
the other, on the other side
198
663744
3314
其中一个喜欢待在这端;另一个,则待在双链的另一端,
11:19
of the two strands of the vertical垂直 lines线
going down, which哪一个 you can't see.
199
667082
4558
这是纵向走向的,你们看不到。
11:24
It can happen发生 that
these two protons质子 can hop over.
200
672410
3395
这两个质子也有可能跳到另一端。
11:27
Watch the two white白色 balls.
201
675829
1436
看着两个白球。
11:29
They can jump over to the other side.
202
677748
1998
它们可以跳到另外一端。
11:32
If the two strands of DNA脱氧核糖核酸 then separate分离,
leading领导 to the process处理 of replication复制,
203
680239
5646
如果DNA双链分开了,引发复制过程,
11:37
and the two protons质子
are in the wrong错误 positions位置,
204
685909
3199
而恰好这两个质子的位置错了,
11:41
this can lead to a mutation突变.
205
689132
1763
那么就会导致变异。
11:43
This has been known已知 for half a century世纪.
206
691204
1872
这个现象已为人所知半个世纪了。
11:45
The question is: How likely容易
are they to do that,
207
693100
2343
但问题来了:它们发生错误的概率是多大,
11:47
and if they do, how do they do it?
208
695467
2378
如果它们出错了,又是怎么出错的呢?
11:49
Do they jump across横过,
like the ball going over the wall?
209
697869
3019
它们就这样跳到另一端,就好像那个球越过那堵墙那样吗?
11:52
Or can they quantum-tunnel量子隧道 across横过,
even if they don't have enough足够 energy能源?
210
700912
3502
还是它们在没有足够能量的情况下,也能实现量子隧穿那样的穿越呢?
11:57
Early indications适应症 suggest建议 that
quantum量子 tunneling隧道 can play a role角色 here.
211
705089
4252
早期研究提出量子隧穿可能在这发挥了作用。
12:01
We still don't know yet然而
how important重要 it is;
212
709365
2124
我们还不知道其重要性有多大;
12:03
this is still an open打开 question.
213
711513
1792
目前还没有确切答案。
12:06
It's speculative投机,
214
714199
1150
现在只有推测,
12:07
but it's one of those questions问题
that is so important重要
215
715373
2643
但如果说量子力学会影响变异的话,
12:10
that if quantum量子 mechanics机械学
plays播放 a role角色 in mutations突变,
216
718040
2446
这就是个非常重要的问题之一了,
12:12
surely一定 this must必须 have big implications启示,
217
720510
2299
对于理解某些类型的变异,
12:14
to understand理解 certain某些 types类型 of mutations突变,
218
722833
2694
甚至是可能导致细胞癌变的变异,
12:17
possibly或者 even those that lead
to turning车削 a cell细胞 cancerous癌的.
219
725551
3756
这当然这有着非常重大的意义。
12:22
Another另一个 example of quantum量子 mechanics机械学
in biology生物学 is quantum量子 coherence相干性,
220
730803
5299
生物学中另一个量子力学的例子是,
12:28
in one of the most
important重要 processes流程 in biology生物学,
221
736126
2353
生物学中最重要的一个过程之一,
12:30
photosynthesis光合作用: plants植物
and bacteria taking服用 sunlight阳光,
222
738503
3941
光合作用里的量子相干性:植物和细菌吸收了光照,
12:34
and using运用 that energy能源 to create创建 biomass生物质.
223
742468
2954
并利用其中的能量来制造生物质。
12:38
Quantum量子 coherence相干性 is the idea理念
of quantum量子 entities实体 multitasking多任务处理.
224
746215
4152
量子相关性指的是量子实体同时执行多任务的现象。
12:42
It's the quantum量子 skier滑雪者.
225
750912
1604
这是个量子滑雪者。
12:44
It's an object目的 that behaves的行为 like a wave,
226
752540
2952
这个物体表现得像波一样,
12:47
so that it doesn't just move移动
in one direction方向 or the other,
227
755516
2902
所以它的移动不是单一方向的,
12:50
but can follow跟随 multiple pathways途径
at the same相同 time.
228
758442
3320
而是同时能够走不同的路线。
12:54
Some years年份 ago,
the world世界 of science科学 was shocked吃惊
229
762708
3916
几年前,一篇论文的发布震惊了科学界,
12:58
when a paper was published发表
showing展示 experimental试验 evidence证据
230
766648
3584
它提出实验证明量子相干性
13:02
that quantum量子 coherence相干性
takes place地点 inside bacteria,
231
770256
3776
存在于细菌中,
13:06
carrying携带 out photosynthesis光合作用.
232
774056
1686
执行着光合作用。
13:07
The idea理念 is that the photon光子,
the particle粒子 of light, the sunlight阳光,
233
775766
3064
这个观点说的是,光子,即光粒子,阳光,
13:10
the quantum量子 of light
captured捕获 by a chlorophyll叶绿素 molecule分子,
234
778854
3344
光量子被叶绿素捕捉到后,
13:14
is then delivered交付 to what's called
the reaction反应 center中央,
235
782222
2591
被传递到叫做反应中心的地方,
13:16
where it can be turned转身 into
chemical化学 energy能源.
236
784837
2064
在这里它被转化成化学能量。
13:18
And in getting得到 there,
it doesn't just follow跟随 one route路线;
237
786925
2648
而到达反应中心的路线不止一个;
13:21
it follows如下 multiple pathways途径 at once一旦,
238
789597
2215
光量子会同时走多个路线,
13:23
to optimize优化 the most efficient高效 way
of reaching到达 the reaction反应 center中央
239
791836
4337
最后找出最高效的路线达到反应中心,
13:28
without dissipating散热 as waste浪费 heat.
240
796197
1721
从而不会消耗成余热。
13:31
Quantum量子 coherence相干性 taking服用 place地点
inside a living活的 cell细胞.
241
799228
3309
量子相干性效应也存在于活细胞里。
13:34
A remarkable卓越 idea理念,
242
802561
2120
这是个卓越的观点,
13:36
and yet然而 evidence证据 is growing生长 almost几乎 weekly每周,
with new papers文件 coming未来 out,
243
804705
6235
而目前每周也都有新证据、新论文发表来证明这个观点,
13:42
confirming确认 that this
does indeed确实 take place地点.
244
810964
2212
证明这个现象的确存在。
13:45
My third第三 and final最后 example
is the most beautiful美丽, wonderful精彩 idea理念.
245
813555
4739
我的第三个也是最后一个例子,是个非常美丽奇妙的观点。
13:50
It's also still very speculative投机,
but I have to share分享 it with you.
246
818318
4063
同样也极具推测性,但我要和你们分享一下。
13:54
The European欧洲的 robin知更鸟
migrates迁移 from Scandinavia斯堪的纳维亚
247
822405
4612
欧洲斯堪的纳维亚的知更鸟
13:59
down to the Mediterranean地中海, every一切 autumn秋季,
248
827041
2635
每个秋天都会迁徙到地中海,
14:01
and like a lot of other
marine海洋 animals动物 and even insects昆虫,
249
829700
3373
就和许多其它海洋动物甚至是昆虫一样,
14:05
they navigate导航 by sensing传感
the Earth's地球 magnetic磁性 field领域.
250
833097
4300
它们都靠感应地球磁场来感知方向。
14:10
Now, the Earth's地球 magnetic磁性 field领域
is very, very weak;
251
838968
2427
地球磁场非常的弱;
14:13
it's 100 times weaker较弱
than a fridge冰箱 magnet磁铁,
252
841419
2080
它比我们的冰箱贴还弱100倍,
14:15
and yet然而 it affects影响 the chemistry化学 --
somehow不知何故 -- within a living活的 organism生物.
253
843523
5601
然而它却影响着生物体中的化学反应。
14:21
That's not in doubt怀疑 --
a German德语 couple一对 of ornithologists鸟类学家,
254
849932
3806
毋庸置疑——德国的鸟类学家夫妇
14:25
Wolfgang沃尔夫冈 and Roswitha罗斯维塔 WiltschkoWiltschko,
in the 1970s, confirmed确认 that indeed确实,
255
853762
4260
Wolfgang和Roswitha Wiltschko在20世纪70年代确认,
14:30
the robin知更鸟 does find its way by somehow不知何故
sensing传感 the Earth's地球 magnetic磁性 field领域,
256
858046
3977
知更鸟的确通过感应地球磁场来探路,
14:34
to give it directional定向 information信息 --
a built-in内建的 compass罗盘.
257
862047
3327
从中获取方向信息——这是一种内置的指南针。
14:37
The puzzle难题, the mystery神秘 was:
How does it do it?
258
865398
2249
令人不解的谜团是:它们是怎么做到的?
14:40
Well, the only theory理论 in town --
259
868351
3030
嗯,我们现在只有一个理论--
14:43
we don't know if it's the correct正确 theory理论,
but the only theory理论 in town --
260
871405
3436
我们不确定这个理论是否正确,但目前只有这么一个理论--
14:46
is that it does it via通过 something
called quantum量子 entanglement纠葛.
261
874865
2984
就是,它们是通过一个叫做量子纠缠的效应来实现导航的。
14:50
Inside the robin's罗宾 retina视网膜 --
262
878567
2374
在知更鸟的视网膜里--
14:52
I kid孩子 you not -- inside the robin's罗宾 retina视网膜
is a protein蛋白 called cryptochrome,
263
880965
4232
我可不是开玩笑啊--在知更鸟的视网膜上有一个蛋白质
14:57
which哪一个 is light-sensitive光敏感.
264
885221
1380
叫做隐花色素,它对光很敏感。
14:58
Within cryptochrome, a pair of electrons电子
are quantum-entangled量子纠缠.
265
886625
3939
在印花色素里,有一对相互纠缠的电子。
15:02
Now, quantum量子 entanglement纠葛
is when two particles粒子 are far apart距离,
266
890588
3232
量子纠缠意味着两个粒子相距甚远,
15:05
and yet然而 somehow不知何故 remain
in contact联系 with each other.
267
893844
2834
却又能彼此保持联系。
15:08
Even Einstein爱因斯坦 hated this idea理念;
268
896991
1446
连爱因斯坦都讨厌这个观点;
15:10
he called it "spooky幽灵般的 action行动
at a distance距离."
269
898461
2039
他把它叫做“鬼魅般的超距作用。”
15:12
(Laughter笑声)
270
900524
1881
(笑声)
15:14
So if Einstein爱因斯坦 doesn't like it,
then we can all be uncomfortable不舒服 with it.
271
902429
3443
那么如果爱因斯坦不喜欢这个观点,那么我们就有理由也不喜欢。
15:17
Two quantum-entangled量子纠缠 electrons电子
within a single molecule分子
272
905896
2853
单细胞当中的两个有着量子纠缠关系的电子
15:20
dance舞蹈 a delicate精巧 dance舞蹈
273
908773
1471
跳着非常微妙的舞蹈,
15:22
that is very sensitive敏感
to the direction方向 the bird flies苍蝇
274
910268
2541
并对鸟类在地球磁场里
15:24
in the Earth's地球 magnetic磁性 field领域.
275
912833
1531
飞翔的方向很敏感。
15:26
We don't know if it's
the correct正确 explanation说明,
276
914848
2610
我不知道这么说对不对,
15:29
but wow, wouldn't不会 it be exciting扣人心弦
if quantum量子 mechanics机械学 helps帮助 birds鸟类 navigate导航?
277
917482
4544
但是哇哦,如果量子力学能帮助鸟类感知方向,这不是很激动人心的事吗?
15:35
Quantum量子 biology生物学 is still in it infancy婴儿期.
278
923069
2721
量子生物学还处在婴儿时期。
15:37
It's still speculative投机.
279
925814
3484
还处在推测阶段。
15:41
But I believe it's built内置 on solid固体 science科学.
280
929742
3849
不过我相信它是建立在严谨科学之上的。
15:45
I also think that
in the coming未来 decade or so,
281
933917
3809
我也认为在接下来十年左右,
15:49
we're going to start开始 to see
that actually其实, it pervades弥漫 life --
282
937750
4841
我们会看到,其实它在生活中无处不在——
15:54
that life has evolved进化 tricks技巧
that utilize利用 the quantum量子 world世界.
283
942615
4596
生活已经演变出了许多利用量子世界的技能。
16:00
Watch this space空间.
284
948026
1428
请关注这个领域。
16:01
Thank you.
285
949478
1157
谢谢。
16:02
(Applause掌声)
286
950659
2202
(掌声)
Translated by Claire Yeh
Reviewed by Tiana Zhao

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ABOUT THE SPEAKER
Jim Al-Khalili - Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge."

Why you should listen
A professor of physics at the University of Surrey, Jim Al-Khalili doubles as a science communicator and broadcaster. He’s the co-author with Johnjoe McFadden of Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. The book explores this emerging -- and still largely speculative -- area of science suggesting that quantum mechanics may play a role in biology. If so, it may help us understand what drives genetic mutations that lead to cancer, or how robins fly from Scandinavia to the Mediterranean.
More profile about the speaker
Jim Al-Khalili | Speaker | TED.com