來(lái)源：十點(diǎn)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(lái)源：Princeton University

　　作者|陳天真

　　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(shí)，可能已經(jīng)不知不覺(jué)用上了量子力學(xué)。

　　不只是你，植物在陽(yáng)光下進(jìn)行光合作用，候鳥循著地球磁場(chǎng)長(zhǎng)途遷徙，DNA發(fā)生突變，酶催化化學(xué)反應(yīng)，這些過(guò)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(tái)量子計(jì)算機(jī)，神經(jīng)元利用量子比特來(lái)編碼信息。

　　量子現(xiàn)象在生命世界真的無(wú)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(gè)經(jīng)典世界中，沒(méi)有什么東西可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方；如果速度不夠快，滾動(dòng)的小球就無(wú)法沖上小山坡；物體運(yùn)動(dòng)的速度永遠(yuǎn)不可能超過(guò)光速。

　　但在詭異的量子世界，這些日常經(jīng)驗(yàn)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(shí)處于兩種不同狀態(tài)，比如同時(shí)穿過(guò)兩道狹縫——這被稱為量子相干性；可以像幽靈般穿過(guò)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(gè)糾纏的粒子無(wú)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(lái)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(shí)，量子效應(yīng)會(huì)丟失嗎，還是會(huì)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(zhǎng)久以來(lái)，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(lái)，在溫暖濕潤(rùn)的生命系統(tǒng)中，大量粒子的集體運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生嘈雜的背景噪音，淹沒(méi)任何古怪的量子效應(yīng)。

　　但越來(lái)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(chǎng)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(huì)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(lái)，激子從一個(gè)葉綠素分子轉(zhuǎn)移到下一個(gè)，直到抵達(dá)一個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程持續(xù)時(shí)間極短，效率接近100%。如果激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(huì)因?yàn)槔@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(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，激子可能是像波一樣傳播，可以同時(shí)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(shuō)，激子在葉綠素分子間的轉(zhuǎn)移過(guò)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(guò)程中可能涉及到量子相干性。| 來(lái)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(huì)通過(guò)磁感知向南飛行數(shù)千公里，仿佛自帶指南針般不會(huì)迷路。地球磁場(chǎng)非常微弱，比冰箱貼還弱100倍，這些候鳥怎么會(huì)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(lái)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(huì)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(cè)，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(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自由基對(duì)。自由基對(duì)由兩個(gè)自由基組成，每個(gè)自由基包含奇數(shù)個(gè)電子。這些電子彼此之間可以產(chǎn)生量子糾纏，并對(duì)地球磁場(chǎng)的方向很敏感。

　　在2021年6月23日發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)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(shí)具有明顯的磁敏感性。施加磁場(chǎng)后，隱花色素蛋白在藍(lán)光照射下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得具有磁敏性的自由基對(duì)增多，從而幫助鳥類感知身體相對(duì)于地球磁場(chǎng)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(chǎng)方向。|來(lái)源：Ilia Solov‘yov

　　人類嗅覺(jué)與量子隧穿

　　人類的鼻子可以分辨超過(guò)一萬(wàn)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(jué)神經(jīng)元上的受體結(jié)合，讓我們聞到不同氣味。可是研究發(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(jué)受體只是對(duì)氣味分子的形狀敏感，似乎不足以解釋嗅覺(jué)的強(qiáng)大分辨本領(lǐng)。因此有化學(xué)家猜測(cè)，嗅覺(jué)對(duì)分子的化學(xué)鍵振動(dòng)頻率也很敏感。當(dāng)氣味分子和受體結(jié)合時(shí)，如果它以某種頻率振動(dòng)，分子中的一個(gè)電子就會(huì)通過(guò)量子隧穿抵達(dá)受體的另一側(cè)，通過(guò)這個(gè)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，大腦就會(huì)接收到信號(hào)，判斷出這是什么分子。

量子現(xiàn)象在生命世界無(wú)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(duì)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(wèn)題我們并沒(méi)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。