不懂量子力學？沒關係，你的身體懂，植物懂，鳥類也懂 zt

 

 

作者｜陳天真

你或許不懂量子力學，但你的身體懂。當你的鼻子聞氣味時，可能已經不知不覺用上了量子力學。

不隻是你，植物在陽光下進行光合作用，候鳥循著地球磁場長途遷徙，DNA發生突變，酶催化化學反應，這些過程都用到了量子力學。甚至有科學家認為，人類的大腦就像是一台量子計算機，神經元利用量子比特來編碼信息。

量子現象在生命世界真的無處不在嗎？事情或許真是這樣。

生命係統也存在量子效應？

我們生活在一個經典世界中，沒有什麽東西可以同時出現在兩個地方；如果速度不夠快，滾動的小球就無法衝上小山坡；物體運動的速度永遠不可能超過光速。

但在詭異的量子世界，這些日常經驗似乎都被打破：

光子、電子這樣的微觀粒子不僅具有粒子的性質，也具有波的性質，它們可以同時處於兩種不同狀態，比如同時穿過兩道狹縫——這被稱為量子相幹性；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；兩個糾纏的粒子無論相隔多遠，都可以瞬間感知到彼此的狀態——也就是發生量子糾纏。

在宏觀世界，貓不可能處於“死”和“活”的疊加態。

量子力學準確地描述了原子、分子的行為，當這些原子、分子聚集成宏觀世界複雜的生命體時，量子效應會丟失嗎，還是會跨越尺度延伸出去？在生命係統中也存在量子效應嗎？

長久以來，科學家們都認為，量子效應隻有在尺度非常小、溫度非常低的極端環境中才能表現出來，在溫暖濕潤的生命係統中，大量粒子的集體運動會產生嘈雜的背景噪音，淹沒任何古怪的量子效應。

但越來越多的證據表明，量子現象在生命係統中普遍存在。植物的光合作用、遷徙的候鳥靠磁場導航、人類聞到不同氣味，都要依靠量子力學。

光合作用中的量子相幹性

在光合作用中，光子會激發葉綠素分子中的電子，產生一種名為激子的準粒子。接下來，激子從一個葉綠素分子轉移到下一個，直到抵達一個叫做反應中心的地方，將能量轉化為可供植物代謝的化學能。

在植物體內，這個轉移過程持續時間極短，效率接近100%。如果光子隻是在葉綠素分子間隨機遊走，最終誤打誤撞抵達反應中心，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年發表在《自然》雜誌上的一項研究發現，激子可能是像波一樣傳播，可以同時感知所有能抵達反應中心的路徑，並選擇最高效的那條，也就是說，激子在葉綠素分子間的轉移過程是量子相幹的，從而幫助提高植物進行光合作用的效率。

 

 

植物光合作用過程中可能涉及到量子相幹性。

遷徙候鳥與量子糾纏

歐亞鴝（qú），俗稱知更鳥，是一種習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千公裏，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，這些候鳥怎麽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航。

研究發現，隨著遷徙季節的臨近，歐亞鴝視網膜中的隱花色素CRY4的表達水平會上升，在非遷徙鳥類中則不存在這種現象，因此科學家猜測，候鳥的磁感知能力很可能與隱花色素有關。

隱花色素是一種光敏蛋白質，吸收光子後會發生化學反應，產生自由基對。自由基對由兩個自由基組成，每個自由基包含奇數個電子。這些電子彼此之間可以產生量子糾纏，並對地球磁場的方向很敏感。

在2021年6月23日發表於《自然》雜誌的一項最新研究中，科學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。施加磁場後，隱花色素蛋白在藍光照射下會發生化學反應，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於地球磁場的方向。

 

視網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。

氣味分子從空氣中進入鼻孔，與嗅覺神經元上的受體結合，讓我們聞到不同氣味。可是研究發現，像硼烷和硫磺這樣形狀不同的分子，卻同樣散發出腐爛雞蛋的味道，而一些形狀幾乎相同的分子則有著完全不同的氣味。

如果嗅覺受體隻是對氣味分子的形狀敏感，似乎不足以解釋嗅覺的強大分辨本領。因此有化學家猜測，嗅覺對分子的化學鍵振動頻率也很敏感。當氣味分子和受體結合時，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受體的另一側，通過這個電子轉移過程，大腦就會接收到信號，判斷出這是什麽分子。

 

早在1943年，物理學家薛定諤就提出，量子力學或許在生命當中發揮著作用。但直到今天，對於生命係統中的量子現象，我們仍然所知甚少。

量子效應為何可以在溫暖嘈雜的生命係統中存在？這一切又是如何發生的？這些問題我們並沒有答案。但是在數十億年的生命演化史中，大自然似乎早已洞察先機，將量子的奧秘注入生命當中。

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]《量子生物學能揭示生命的巨大奧秘嗎？》，“返樸”公眾號

[7] 《生命與新物理學》，保羅·戴維斯

原標題：《不懂量子力學？沒關係！你的身體懂，植物懂，鳥類也懂》