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原創(chuàng) 陳天真 十點科學(xué)
量子效應(yīng)不僅出現(xiàn)在微觀世界，在生命系統(tǒng)中也普遍存在。
來源：Princeton University
你或許不懂量子力學(xué)，但你的身體懂。當(dāng)你的鼻子聞氣味時，可能已經(jīng)不知不覺用上了量子力學(xué)。
不只是你，植物在陽光下進(jìn)行光合作用，候鳥循著地球磁場長途遷徙，DNA發(fā)生突變，酶催化化學(xué)反應(yīng)，這些過程都用到了量子力學(xué)。甚至有科學(xué)家認(rèn)為，人類的大腦就像是一臺量子計算機(jī)，神經(jīng)元利用量子比特來編碼信息。
量子現(xiàn)象在生命世界真的無處不在嗎？事情或許真是這樣。
生命系統(tǒng)也存在量子效應(yīng)？
我們生活在一個經(jīng)典世界中，沒有什么東西可以同時出現(xiàn)在兩個地方；如果速度不夠快，滾動的小球就無法沖上小山坡；物體運(yùn)動的速度永遠(yuǎn)不可能超過光速。
但在詭異的量子世界，這些日常經(jīng)驗似乎都被打破：
光子、電子這樣的微觀粒子不僅具有粒子的性質(zhì)，也具有波的性質(zhì)，它們可以同時處于兩種不同狀態(tài)，比如同時穿過兩道狹縫——這被稱為量子相干性；可以像幽靈般穿過原本看似不可穿透的能量壁壘——所謂的量子隧穿效應(yīng)；兩個糾纏的粒子無論相隔多遠(yuǎn)，都可以瞬間感知到彼此的狀態(tài)——也就是發(fā)生量子糾纏。
在宏觀世界，貓不可能處于“死”和“活”的疊加態(tài)。｜來源：Gerd Altmann
量子力學(xué)準(zhǔn)確地描述了原子、分子的行為，當(dāng)這些原子、分子聚集成宏觀世界復(fù)雜的生命體時，量子效應(yīng)會丟失嗎，還是會跨越尺度延伸出去？在生命系統(tǒng)中也存在量子效應(yīng)嗎？
長久以來，科學(xué)家們都認(rèn)為，量子效應(yīng)只有在尺度非常小、溫度非常低的極端環(huán)境中才能表現(xiàn)出來，在溫暖濕潤的生命系統(tǒng)中，大量粒子的集體運(yùn)動會產(chǎn)生嘈雜的背景噪音，淹沒任何古怪的量子效應(yīng)。
但越來越多的證據(jù)表明，量子現(xiàn)象在生命系統(tǒng)中普遍存在。植物的光合作用、遷徙的候鳥靠磁場導(dǎo)航、人類聞到不同氣味，都要依靠量子力學(xué)。
光合作用中的量子相干性
在光合作用中，光子會激發(fā)葉綠素分子中的電子，產(chǎn)生一種名為激子的準(zhǔn)粒子。接下來，激子從一個葉綠素分子轉(zhuǎn)移到下一個，直到抵達(dá)一個叫做反應(yīng)中心的地方，將能量轉(zhuǎn)化為可供植物代謝的化學(xué)能。
在植物體內(nèi)，這個轉(zhuǎn)移過程持續(xù)時間極短，效率接近100%。如果光子只是在葉綠素分子間隨機(jī)游走，最終誤打誤撞抵達(dá)反應(yīng)中心，就會因為繞路丟失掉很多能量，顯然不是一種高效的行為。
2007年發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究發(fā)現(xiàn)，激子可能是像波一樣傳播，可以同時感知所有能抵達(dá)反應(yīng)中心的路徑，并選擇最高效的那條，也就是說，激子在葉綠素分子間的轉(zhuǎn)移過程是量子相干的，從而幫助提高植物進(jìn)行光合作用的效率。
植物光合作用過程中可能涉及到量子相干性。| 來源：World Science Festival
遷徙候鳥與量子糾纏
歐亞鴝（qú），俗稱知更鳥，是一種習(xí)慣在夜間遷徙的候鳥。每年冬天，它們都會通過磁感知向南飛行數(shù)千公里，仿佛自帶指南針般不會迷路。地球磁場非常微弱，比冰箱貼還弱100倍，這些候鳥怎么會具有如此敏銳的磁感知能力呢？
歐亞鴝具有神秘的第六感——磁感知能力，可以在飛行途中定位導(dǎo)航。|來源：Corinna Langebrake, Ilia Solov’yov
研究發(fā)現(xiàn)，隨著遷徙季節(jié)的臨近，歐亞鴝視網(wǎng)膜中的隱花色素CRY4的表達(dá)水平會上升，在非遷徙鳥類中則不存在這種現(xiàn)象，因此科學(xué)家猜測，候鳥的磁感知能力很可能與隱花色素有關(guān)。
隱花色素是一種光敏蛋白質(zhì)，吸收光子后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自由基對。自由基對由兩個自由基組成，每個自由基包含奇數(shù)個電子。這些電子彼此之間可以產(chǎn)生量子糾纏，并對地球磁場的方向很敏感。
在2021年6月23日發(fā)表于《自然》雜志的一項最新研究中，科學(xué)家第一次成功獲得了歐亞鴝的隱花色素蛋白CRY4，證明它確實具有明顯的磁敏感性。施加磁場后，隱花色素蛋白在藍(lán)光照射下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得具有磁敏性的自由基對增多，從而幫助鳥類感知身體相對于地球磁場的方向。
視網(wǎng)膜中的隱花色素蛋白可以幫助歐亞鴝感知磁場方向。｜來源：Ilia Solov'yov
人類嗅覺與量子隧穿
人類的鼻子可以分辨超過一萬種不同氣味，這到底是如何做到的呢？很可能和量子隧穿有關(guān)。
氣味分子從空氣中進(jìn)入鼻孔，與嗅覺神經(jīng)元上的受體結(jié)合，讓我們聞到不同氣味?？墒茄芯堪l(fā)現(xiàn)，像硼烷和硫磺這樣形狀不同的分子，卻同樣散發(fā)出腐爛雞蛋的味道，而一些形狀幾乎相同的分子則有著完全不同的氣味。
如果嗅覺受體只是對氣味分子的形狀敏感，似乎不足以解釋嗅覺的強(qiáng)大分辨本領(lǐng)。因此有化學(xué)家猜測，嗅覺對分子的化學(xué)鍵振動頻率也很敏感。當(dāng)氣味分子和受體結(jié)合時，如果它以某種頻率振動，分子中的一個電子就會通過量子隧穿抵達(dá)受體的另一側(cè)，通過這個電子轉(zhuǎn)移過程，大腦就會接收到信號，判斷出這是什么分子。
量子現(xiàn)象在生命世界無處不在。｜medium.com
早在1943年，物理學(xué)家薛定諤就提出，量子力學(xué)或許在生命當(dāng)中發(fā)揮著作用。但直到今天，對于生命系統(tǒng)中的量子現(xiàn)象，我們?nèi)匀凰跎佟?/p>
量子效應(yīng)為何可以在溫暖嘈雜的生命系統(tǒng)中存在？這一切又是如何發(fā)生的？這些問題我們并沒有答案。但是在數(shù)十億年的生命演化史中，大自然似乎早已洞察先機(jī)，將量子的奧秘注入生命當(dāng)中。
參考資料：
[1]Xu, J., Jarocha, L.E., Zollitsch, T. et al. Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature 594, 535–540 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-01596-6
[3] https://www.youtube.com/watch?v=0SPD2r0xV8k&t=20s
[4]Engel, G., Calhoun, T., Read, E. et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature 446, 782–786 (2007). https://doi.org/10.1038/nature05678
[5]https://www.the-scientist.com/features/quantum-biology-may-help-solve-some-of-lifes-greatest-mysteries-65873
[6]《量子生物學(xué)能揭示生命的巨大奧秘嗎？》，“返樸”公眾號
[7] 《生命與新物理學(xué)》，保羅·戴維斯
原標(biāo)題：《不懂量子力學(xué)？沒關(guān)系！你的身體懂，
