生物体内的量子世界

要说哪一门学科完美地概括了科学的艰涩难懂，一定非量子物理学莫属。科学家告诉我们，量子世界中的微观居民以看似不可能的方式活动：它们可以同时出现在两个不同的地方，或者瞬间移位。

唯一令人欣慰的是，这些奇怪的量子行为对我们所知的宏观世界并没有什么影响。在我们的世界里，一统天下的是牛顿经典物理学。

至少，几年前科学家还是这样想的。

现在，一度被认为可靠的认知开始分崩离析了。量子过程或许没有我们想象得那样遥不可及。恰恰相反，它们或许在一些我们非常熟悉的过程中发挥着作用，从给植物提供能量并最终给我们供给能量的光合作用，到鸟类的季节性迁徙。量子物理学甚至参与了我们的嗅觉。

实际上，量子效应或许正是自然界用来改进生命功能的许多手段之一，让我们的身体运转得更加流畅。在奇怪的量子世界的帮助下，我们甚至可以完成更多的事。

光合作用的过程看上去实在是过于轻松了。

从某种层面上来看，光合作用显得十分简单：植物、绿藻和某些细菌利用阳光和二氧化碳合成能量。然而，一直困扰生物学家的是，光合作用的过程看上去实在是过于轻松了。

科学家尤其对其中光能—化学能的转化过程感到困惑。光子穿越数十亿千米的空间，与窗外叶片中的电子发生碰撞。电子受到能量刺激，开始像弹力球一样来回撞击。它穿过叶片细胞中的一个狭小空间，把多余的能量传递给植物中作为能量货币的分子。

问题在于，这个微型的弹力球机器的运转过于良好。经典物理学认为，由于不规则运动，激发态电子穿越细胞需要花费一定时间。但实际上，这一过程要快得多。

此外，激发态电子在这一过程中几乎不会损失能量，而经典物理学认为电子在这个微型弹力球系统中来回碰撞会消耗一定能量。事实上，这一过程过于迅速、过于顺利、过于高效了，理想到不像是真的。

2007年，研究光合作用的学者开始看到曙光。科学家在光合作用的分子中心发现了量子效应的痕迹，而且电子运动的明显特征揭示，量子效应可能在光合作用中扮演着重要的生物学角色。

这很可能是电子快速高效地通过光合作用系统的部分机制！量子效应的特性之一就是同时出现在多个地方——这一特性被称为量子态叠加。利用这一特性，电子可以在光合作用系统中同时存在于多条路线上。这样一来，它就可以在瞬间找到一条最短、最高效的路径，将碰撞的耗能降到最低。

量子物理学或许可以解释为什么光合作用的效率高到难以置信。

“我觉得，这就是那种人们开始意识到有什么激动人心的事情正在上演的时刻。”德国乌尔姆大学的量子物理学教授苏珊娜·赫尔佳说。

在此之前，叠加态这样的量子现象只有在高度控制的实验条件下才能看到。观察量子效应的典型实验条件包括将材料温度降至接近绝对零度，以减弱可能湮灭量子行为的其他原子活动。而且，即使在这样的温度条件下，材料仍然必须被隔绝在真空里，并且量子行为仍然微弱到只有用极其精密敏感的仪器才能检测到。

在我们看来，活细胞内部潮湿、温暖和忙碌的环境是最不可能出现量子事件的。“但即使是在这样的环境里，量子特性仍然活跃着。”赫尔佳说，“当然，活细胞中意外地存在着量子特性，并不代表这些特性扮演着有用角色。虽然有理论解释量子态叠加如何让光合作用加速，但是这一量子行为和生物学过程之间的联系还缺乏确凿证据。接下来的研究应该着眼于获得一些量子力学的证据，来说明进行光合作用的生物机器如此高效正是因为量子现象。”

生物学中的量子效应或许可以解释鸟类在迁徙时是如何确定飞行方向的。

生物学中的量子效应很可能会为延续至今的另一个科学之谜提供答案：鸟类在迁徙时是如何确定飞行方向的。

鸟类迁徙，例如欧洲知更鸟，总是跨越数千千米的距离，飞到欧洲南部或者非洲北部越冬。如果没有指南针，这样陌生的旅途不仅危险，甚至根本不可能。如果飞错了方向，来自波兰的知更鸟就很可能要在西伯利亚，而不是在摩洛哥过冬了。

我们很难想象生物指南针是什么样的。如果知更鸟脑中或者眼睛里具有微型针状磁性结构，生物学家一定已经找到了。但事实并非如此：承担这一功能的生物构造目前仍然是未知的。

20世纪70年代出现了另一种替代性的理论，指出鸟类很可能是通过依赖量子现象的化学指南针来辨别南北的。

英国牛津大学的化学家彼得·霍尔说，在自由基这种携带可激发单电子的分子以及被称为自旋的量子特性的帮助下，化学指南针可以发挥作用。

分子中的电子通常是成对出现的，具有相反的自旋方向，可以相互抵消。这意味着它可以自由地跟环境相互作用，包括磁场。

霍尔说，事实证明，知更鸟会因为某一特殊波段的无线电波的干扰而暂时丧失方向感，而无线电波就是一种电磁波。如果无线电波的频率恰好和电子自旋的频率相同，就会造成电子共振。这种共振和你在洗澡时哼小曲出现的情况差不多，有些音符听上去会比其他音符更加饱满。恰当的无线电波频率会让电子振动得更加激烈。

但无线电波和鸟类使用化学指南针导航又有什么关系呢？理论上讲，鸟类眼睛后方的自由基会对地球磁场产生反应，导致电子离开其在化学指南针中的原有位置，启动一系列化学反应，生成某种特殊的化学物质。只要鸟沿着相同的方向飞，这种化学物质就会不断聚集。

因此，这种化学物质的含量就是信息的来源，在鸟类神经细胞中产生信号。作为环境线索的一部分，这一信息将告诉鸟它是在飞往西伯利亚还是摩洛哥。

对无线电波的观察十分重要，因为能够干涉电子自旋的因素，至少从理论上讲也会干扰化学指南针。有时候，研究某种东西为什么失效，和研究某种东西为什么有效同样有用。

即使如此，量子指南针也只停留在想法上，还没有在自然界中找到。目前，霍尔专注于利用理论上讲应该受无线电波影响的分子来确定量子指南针的工作原理。

“我们用模式分子做了实验，以确定化学指南针的形成原理。”霍尔说，“这些实验帮助锁定了一些看上去适合检测磁场的分子，但是我们不清楚这些分子在鸟类体细胞中的作用是不是完全相同。”

霍尔认为，磁场指南针只是鸟类复杂的导航系统中的一部分，用来解释指南针工作方式的量子理论或许是目前的最佳答案。但要把鸟类行为模式和理论化学联系起来，还有大量工作要做。

我们的鼻子到底怎样分辨纷繁复杂、形态各异的气味分子？

有一个研究领域似乎更接近量子生物学的现实：嗅觉的科学。

我们的鼻子到底怎样分辨纷繁复杂、形态各异的气味分子，对传统嗅觉理论来说仍然是巨大挑战。当一个气味分子飘入鼻孔，没有人确切知道后面会发生什么。这个分子通过某种不明确的方式与鼻腔内皮肤上的感受器——也就是分子受体——进行了反应。

受过良好训练的人类的嗅觉可以分辨数千种不同的气味。但是这些气味信息是怎样携带在气味分子的形态上的，仍然是一个谜。许多分子的外形几乎完全相同，只不过改变了一两个原子，就可以拥有非常不同的气味。香草醛闻起来是香草味，而分子形状与其极为相似的丁香油酚闻起来却是丁香味。有些分子互为镜像（就像左右手），也具有不同的气味。但更令人奇怪的是，一些形状差异很大的分子闻起来几乎完全一样。

卢卡·图林是希腊亚历山大·弗莱明生物医学研究所的化学家，他正致力破解分子编码气味的特性。“嗅觉本质的独特之处在于，我们分析气味分子和原子的能力，与目前已知的分子识别机制不一致。”他说，“分子形状不是决定气味的唯一因素，分子中化学键的量子特性才提供了关键信息。”

根据图林的嗅觉量子理论，当气味分子进入鼻腔与受体结合时，会导致受体产生一种叫作“量子隧穿”的过程。

量子隧穿效应产生时，电子可以从材料的A点跳跃到B点，就好像绕过了两点之间的所有区域。与鸟类的量子指南针类似，关键因素在于共振。图林说，气味分子中的某个特别的化学键可以与相匹配的能量共振，帮助电子从受体分子的一端跳跃到另一端。

当电子跳跃到受体的另一个位点时，可以触发一系列反应，最终使大脑接收到受体接触到了某种特别分子的信号。图林说，这就是分子具有特定气味的关键，而这一过程从本质上讲是量子的。

“嗅觉需要一种有关分子实际化学成分的机制，”他说，“正因为这一点，量子隧穿是非常自然的解释。”

这一理论有一个强有力的证据。图林发现，即便是两个形状差异很大的分子，如果它们包含能量相似的化学键，闻起来就可能是一样的。

比如硼烷。这种非常罕见且难以获得的化合物闻起来就像硫黄，但是，硼烷跟硫的化学差异非常大，实际上两者没有任何联系。它们之间唯一的共性就是振动频率。而在自然界中，也只有这两种物质闻起来是一样的。

虽然这个发现对嗅觉量子理论来说是巨大的成功，但仍然不是最终的证据，图林希望能够捕捉到受体正在利用量子现象的瞬间。他说他们已经“非常接近”成功了。“我不想说出来坏了运气，但是我们正在朝这方面努力。”他说，“我们找到了一种实验方法，所以在将来几个月里我们一定会试一试。我认为推进这项研究的关键就在这里了。”

不管自然界是不是已经抢先一步， 都有必要把生物学和量子物理学结合起来发展新技术。

无论自然界是不是真的进化出了可以利用量子现象帮助生物体将光能转化为化学能、辨别方向，或者区分香草和丁香的气味的功能结构，原子世界的奇怪特性仍然可以向我们揭示很多活细胞的精细功能。

“还有第二种观察量子力学和生物学相互作用的方法，那就是利用传感和探测。”赫尔佳说，“量子探针可以阐明生物系统动力学中很多有趣的事情。不管自然界是不是已经抢先一步，都有必要把生物学和量子物理学结合起来发展新技术。例如，在生物性光伏电池中使用量子效应，可以极大地提高太阳能电池板的效率。当前，有机光伏领域进行着大量活动，探索怎样通过自然或者人工结构利用量子效应来提高效率。”

现在，即使研究领域针对这些顽固的生物学难题提出了完全未知的新观点，使得量子理论只能退居其次，但生物学家和量子物理学家仍然能够进一步交流。“这个合作故事一定会有一个圆满的结局。”赫尔佳说。

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