統(tǒng)治生命的量子理論

■高鵬

人們往往認為量子物理學那些希奇古怪的規(guī)則僅限于微觀世界，但現(xiàn)在，科學家懷疑它們可能在生命生物學中發(fā)揮著重要作用。越來越多的證據(jù)表明，量子力學參與到了廣泛的生物過程中，包括光合作用、鳥類遷徙，甚至是生命起源。

這些理論和其他一些玄妙的論題，正是作為世界科學節(jié)第五次年會的一部分，于2012年6月1日在紐約市立大學亨特學院凱伊劇場舉行的一次分組座談的主題。

“生命由原子造就，而原子是按照量子機制行事的?！眮喞＜{州立大學宇宙學家保羅·戴維斯說，“生命已經(jīng)存在很長時間了（在這個星球上至少35億年），有充足的時間來學習一些量子的‘把戲’，如果這樣做能夠賦予它優(yōu)勢的話?！?/p>

鳥的大腦

有一個領域的線索暗示著生命與量子力學有著千絲萬縷的聯(lián)系，那就是鳥類和其他遷徙動物所擁有的體內(nèi)指南針。許多鳥類每年遷徙數(shù)千千米，返回的不僅僅是與去年相同的地區(qū)，而且絕對是同一個繁育點。

長久以來，讓科學家一直困惑不解的是，鳥類是如何獲得如此精準的導航技巧的，于是科學家假設鳥類擁有某種基于地球磁場以感知方向的能力?！拔覀兦宄乜吹?，它們可以檢測到磁場，”美國加州大學歐文分校的生物物理學家托斯頓·麗思說，“而我們卻不能說‘這是磁性器官’。”

現(xiàn)在，越來越多的證據(jù)表明，鳥類可能依賴的是量子糾纏，因此，如果有個動作作用于一個粒子，其他粒子也會感受到作用的影響?？茖W家認為，這一過程因鳥類眼細胞中一種叫做隱花色素的蛋白質(zhì)而成為可能。當綠光傳入鳥的眼睛，擊中隱花色素，而使得糾纏電子對中的一個電子能量提高，從配對中脫離。該電子在其新的位置，所遭遇的地球磁場的強度略有不同，這將改變電子的自旋。鳥類可利用此信息建立起一幅地球磁場的內(nèi)部地圖，以計算它們所處的位置與方向。

該理論從一個最近進行的果蠅實驗中得到了支持，而果蠅也有隱花色素。當將此感光蛋白質(zhì)從果蠅中提取走之后，它們因失去磁場敏感性而神經(jīng)錯亂。

嗅探氣味

量子力學可以解決的另一個實例是嗅覺。起初，生物學家認為，通過一個簡單的模型他們就可以理解氣味的形成：氣味分子飄入鼻子，鼻子中的受體分子與這些氣味分子相結(jié)合，并根據(jù)其特定的形狀來確定它們。

科學家說，量子力學的奇妙規(guī)則，也許在實際上使得許多的生命基本過程成為可能

但后來科學家意識到，某些具有相同形狀的氣味分子，僅僅因為一丁點兒的化學變化，如某個氫原子被其較重的同位素氘原子所取代，卻具有完全不同的氣味。雖然此舉影響了分子的重量，但并不改變其形狀，因此該分子仍會以完全相同的方式與受體分子結(jié)合。那么，嗅覺系統(tǒng)是如何感知這種差異的呢？答案可能就在于，量子粒子具有表現(xiàn)的像波一樣的能力。

“該理論就是，即使分子的形狀是一樣的，但因為它有著微小的差別，所以其振動的模式不同，”勞埃德說，“這種像波一樣的性質(zhì)，是一種純粹的量子才具有的效應，但不知何故受體就是能夠感受到這種振動的差別?！?/p>

缺失的一環(huán)

物理學家正在越來越多地探索生物學未解之謎，希望量子力學可以提供這些謎題中缺失的一環(huán)。他們甚至希望，它可以闡明在所有生物學中都是最棘手的問題之一——生命是如何開始的?！拔覀兿胫馈巧侨绾无D(zhuǎn)變?yōu)樯摹?，”戴維斯說，“生命很顯然是物質(zhì)的一種獨特的狀態(tài)。我們想知道的是，是否這種獨特性在根本上就是量子力學的獨特性?！?/p>

但在物理學家興奮地嘗試用量子鑰匙去打開生物學之鎖時，另一些科學家卻在警告他們的手伸得太遠了。

“量子力學奇妙而又神秘，”勞埃德說，“生命的起源也是奇妙而又神秘的。但這并不意味著它們是一回事。我認為當一個人說所有奇妙而又神秘的東西都有相同的起源時，應當出言謹慎?！?/p>