量子生物學簡介
量子力學誕生不久，一些化學家和物理學家們很快地就把量子力學的觀念和方法廣泛地應用到化學上，終於奠定了量子化學（Quantum Chemistry）這門新學科的堅固基礎。近廿年來，量子化學驚人的發展和輝煌的成果，使許多理論化學家、物理學家和生物學家想到為什麼不也把量子力學的觀念和方法應用到生物學上建立一門新的學科──量子生物學（Quantum Biology）？因為他們認為細胞是基本的生物單元，而構成細胞的基本粒子是電子和質子；但是這些基本粒子運動性質並不遵循古典力學而遵循量子力學。因此在理論原則上，似乎可以用量子力學研究構成細胞的原子、電子和質子從而解釋及預測一些生物細胞的現象、行為和性質。但是，也有許多人不同意這種看法。例如理論化學家Longuet Higgins（註一）認為量子力學的方法只能有效地應用到一些牽涉光或放射線的生物過程上（例如光合作用、生物發光，bioluminescence等）而不能應用到不牽涉光或放射線的生物化學反應上（例如蛋白質合成等）。Morowitz（註二）則認為應用量子力學去解釋和預測生物過程為期遙遠而且希望仍甚渺茫。而一些生物學家如Weiss（註三）, Commoner（註四）, Glass（註五）等人甚至認為這是不可能的。Weiss（註三）認為要生物學完全達到像物理學的終點是一個不可實現的幻想，這幻想的造成不是由於對生物系統和它們真正本質缺乏實際的認識便是由於不能明察物理歸謬論證觀念的限制。這些生物學家用盡各種論證來顯示一些規範生物現象的定律遠比那些規範物理和化學現象的定律為普遍且廣泛。由此看來，量子生物學仍是一門爭論未決的新學科。筆者雖然同意這門新學科的發展還有待科學家們的長期努力。但是筆者並不像某些生物學家們那麼悲觀。筆者認為這門新學科將有光明的前途。當然，這樂觀的態度並不是毫無理由的。
首先讓我們來談談把量子力學方法應用於研究生物分子。（biomolecules）的電子結構或應用於研究生物物理（biophysical）或生物化學（biochemical）問題上的必要。我們知道量子生物學目的是在於應用量子力學的一般觀念和方法去研究生物分子的電子結構和行為從而用以解釋一些生命過程或生命現象。這與量子力學應用到化學上的情形非常相似，而量子力學為化學提供了一個全新的觀念基礎，這觀念基礎幫助我們明瞭了化學鍵合，van derWaals力，氫鍵，電荷遷移複合物（charge transfer complexes），共振現象（resonance），化學反應性（chemical reactivity）等的本質。不但使我們了解了許多化學反應或化學現象的原理而且還使我們能預測許多化學反應的過程或結果。無可否認的，生物分子和生物過程一般說來是比一般化學分子和化學反應複雜。但是構成生物分子的基本成份是一般並不很複雜的有機分子。這些年來量子化學家對這些有機分子的研究相當透澈而且成果也相當輝煌。雖然要用以研究更複雜的系統現成的量子力學方法仍需改進，不過這並不是不能克服的困難。生物學變成一種分子科學（molecular science）也快有十七、八年的歷史，分子生物學家們（molecular biologists）已深深體會到若干生命的基本現象是根植於一些基本生物分子或巨分子（macomolecules）的性質和它們之間的相互作用，因此明瞭這些分子的電子結構是必要之務，因為分子的電子結構決定分子的性質而生物分子行為性質又表現在生物過程或生命現象上。一些量子力學的計算目的在建立分子的某些電子的或能量的指數（electronic and energetic molecular indices）和分子的生物活動性（biological activity of molecules）間的數量關係（quantitative relations）。由這數量上的關係去預測生物分子的行為並提供綜合實驗結果的理論標準（theoretical criterion）。但是生物活動性（bioligical activity）並不像普通的物理和化學活動性（physical and chemical activities），因為普通的物理和化學活動性常常在理論與實驗之間能作明晰的比較，而生物活動性則不然，因為我們找到的生物系統的總活動性是由許多不同而且複雜的因素造成的，我們對這些不同而且複雜的因素不易分辨。所以對生物化學過程作理論上研究時應注意二點：第一是盡可能事先了解要研究的過程的生物化學機構（biochemical mechanisms），因為我們的計算方法和我們要計算的數量完全取決於這些生物化學機構。其次應注意的是慎重地且盡可能適當地選用量子力學的計算方法。例如，我們用分子軌道理論時牽涉到許多漸近法（approximations），如用於計算化學反應性（chemicalreactivity），常常省略許多因素，而這些省略的因素往往到後來又顯得重要而不該省略。
由上面的討論我們知道應用量子力學的計算方法來研究一些生命過程和現象仍有許多困難。但是如果我們能克服這些困難，則應用量子力學方法在生物上可有不少好處。第一點好處是這方法的普遍性（universal character），例如普通的物理和化學實驗方法通常主要只研究某一特別的（有時多於一種，但很少研究多種）分子性質。因此每種方法通常只讓我們「看到」分子一部份的真面目。但一個量子力學的計算或一個波動方程式的解，原則上可得到我們所研究的原子或分子結構性質的全部資料。縱使我們用漸近法去解那稍微簡化了的波動方程式，我們仍是可得到許多方面的資料，「看到」分子多方面的真面目。第二個好處是在生物化學或生物物理上某些實驗可能非常難做出來（例如有些生物分子的生命期不易用實驗方法測出），往往可用量子力學方法計算出來或最少可估計一個合理的數值或結果。雖然在大部生物現象中只是牽涉到基層態能量（ground state energy）的化學反應，但是有些生物化學過程涉及放射線效應，激動態（excited states）或電子和能量的遷移則非用量子力學的觀念和方法不可。
生物系統通常有二個很顯著的特徵：這些系統的相對穩定性（stability）中某些行為的模式（modes of behavior）保持距離熱平衡（thermalequilibrium）甚遠；另一特徵是由許多個別單元構成的大生物系統有顯著的強烈的相關行為（correlated behavior）；例如生物器官（由許多單元──細胞所構成）的成長，當其成長到某一定大小或形狀時便自動停止。由於這些特徵使人相信在生物系統中有長程的量子力學相關聯（long rangequantum mechanical phase correlations）存在。早在1963年瑞典的量子化學家Lowdin便曾強調量子力學相的問題（phase problem）對生物系統的重要性。他並曾用量子力學中的「隧遁效應」（tunnel effect）解釋遺傳因子中DNA和RNA等的作用。他應用量子力學的觀念和Schrödinger的時間相關方程式（Schrödinger time-dependent equation）對遺傳，突變，衰老和癌症形成等生物現象作了一個有系統的探討而稱之為量子遺傳學（quantum genetics）。雖然把量子力學的觀念應用到生物學上所創的許多理論和學說目前還都帶有多少臆測性，但若假以時日，量子生物學當可有類似量子化學那樣輝煌的成果。
要用有限的篇幅對各種不同程度的廣大讀者介紹一門仍是爭論紛紜的新學科是一件相當困難的工作。為了使一些對量子生物學有興趣的讀者獲得更深一層的了解，筆者願於結束本文前介紹一些量子生物學方面的論文和書籍供讀者參考：
對量子力學沒有基礎的讀者可先讀M. Karplus and R. Porter所著的「Atoms and Molecules」（W. A. Eenjamin, Inc. 1970）；或P. Mathews著的「Introduction to QuantumMechanics」（McGraw-Hill Book Company, 1968）。對生物學沒有基礎的讀者則可先讀Setlowand Pollard所著的「Molecular Biophysics」（Addison-Wesley, 1968）或Szent-Györgi著的「Introduction to Submolecular Biology」（Academic Press, 1966）。
關於量子生物學入門參考書及論文：
N. Bohr, Atomic Theory and the Description of Nature, （Cambridge Univ. Press, 1934）.
N. Bohr, Atomic Physics and Human Knowledge, （John Wiley, 1958）.
E. Schrödinger, What is Life? （Macmillan, 1945）.
W.M. Elsasser, The Physical Foundation of Biology, （Pergamon, 1958）. W.M. Elasser, Atomic and Organism,（Princeton Univ. Press, 1966）.
B. Pullman and A. Pullman, Quantum Biochemistry,（Interscience, 1963）
P.O. Lowdin, Quantum Genetics,（Int'l Sci.& Tech. May, 1963）.
H.H. Pattee, Quantum Mechanics, heredity and the origin of Life, J. Theor. Biol. 17,410（1967）.
B. Bernhard, Quantum chemistry of High Energy Biomolecules, Sci. Res. 1,25（1966）.
較專門性的參考書及論文：
M.K. Kasha & B. Pullman, Ed., Horizons in Biochemistry,（Academic Press, 1962）.
B. Pullman Ed., Electronic Aspects of Biochemistry,（Academic Press, 1964）.
M. Weissbluth ＆ B. Pullman, Ed., Molecular Biophysics,（Academic Press, 1965）.
C.H. Waddington, Towards a Theoretcal.Biology, Vol. Ⅰ, and Ⅱ, （Edinburgh Uni.Press, 1969）.
M. Marois Ed., Theoretical Physics and Biology,（John Wiley, 1969）.
J.P. Isaacs and J.C. Lamb, Complementarity in Biology,（Johns Hopkins Press, 1969）.
M. Weissbluth, Ed., Quantum Aspects of Polypeptides and Polynucleotides,（Biopolymers Symposia No. 1, 1964）.
J. Duchesene, The Structure and Properties of Biomolecules and Biological Systems,（Interscience, 1964）.
A. Pullman and B. Pullman, Cancérisation par les Substances Chimiques et StructureMoléculaire,（Masson, 1955）.
Annals of The New York Academy of Sciences, Vol. 158, Article 1（1969）.
P.O. Lowdin, Some Aspects of Quantum Biology, （Biopolymers Symposia No. 1, p.293, 1964）.
P.O. Lowdin, Proton Tunneling in DNA andits Biological Implications, Revs. Modern.Phys. 35,724（1963）.
N. Rashevsky, Suggestion for a possible approach to molecular biology, Bull. Math. Biophys. 21, 309（1959）.
N. Rashevsky. Some remarks on Rosen's quantum mechanical approach to genetics, ibid. 26, 187（1964）.
R. Rosen, A quantum-theoretic approach to genetic problems, ibid. 22, 227（1960）.
R. Rosen, On the role of chemical systems in the microphysical aspects of primarygenetic mechanism, ibid 23, 393（1961）.
R. Rosen, A note on quantum-theoretic basis of primary genetic activity, ibid. 25, 183（1963）.
E.P. Wigner, Physics and the explanation of life, Foundation of Physics, 1, 35（1970）.
M. Ageno, Does quantum mechanics exclude life？, Nature, 205, 1306（1965）.
P.T. Landsberg, Does quantum mehanics exclude life？, Nature, 203, 928（1964）.
P.O. Lowdin, Quantum Genetics and The Aperiodic Solid, Adv. in Quantum Chemistry, 2,（1965）
H. Primas, Probleme Der Interpretation Der Quantenmechanik Grosser Molekularer Systeme,（pre-print, 1970-72）.
參考文獻：
（註一）H.C. Longuet-Higgins, Biophys. J. 2,207（1962）.
（註二）H.J. Morowitz, Medical Physics, ed.by O. Glasser, Year Book Publishers,（1960）.
（註三）P. Weiss, Biophysical Science, ed. byJ.L. Oncley,（John Wiley, 1959）.
（註四）B. Commoners, Science, 133, 1745（1961）.
（註五）B. Glass, Philosophy of Science-The Delaware Seminar, Vol. 1, ed. by B.Baumrin.（Interscience, 1963）.
＃發行日期：1973、03
＃期號：0039
＃專欄：
＃標題：量子生物學簡介
＃作者：潘毓剛
zz from http://book.tngs.tn.edu.tw/database/scientieic/content/1973/00030039/0017.htm
