生物體內的量子世界

瑪莎·昂立克斯

要說哪一門學科完美地概括了科學的艱澀難懂，一定非量子物理學莫屬?？茖W家告訴我們，量子世界中的微觀居民以看似不可能的方式活動：它們可以同時出現(xiàn)在兩個不同的地方，或者瞬間移位。

唯一令人欣慰的是，這些奇怪的量子行為對我們所知的宏觀世界并沒有什么影響。在我們的世界里，一統(tǒng)天下的是牛頓經典物理學。

至少，幾年前科學家還是這樣想的。

現(xiàn)在，一度被認為可靠的認知開始分崩離析了。量子過程或許沒有我們想象得那樣遙不可及。恰恰相反，它們或許在一些我們非常熟悉的過程中發(fā)揮著作用，從給植物提供能量并最終給我們供給能量的光合作用，到鳥類的季節(jié)性遷徙。量子物理學甚至參與了我們的嗅覺。

實際上，量子效應或許正是自然界用來改進生命功能的許多手段之一，讓我們的身體運轉得更加流暢。在奇怪的量子世界的幫助下，我們甚至可以完成更多的事。

光合作用的過程看上去實在是過于輕松了。

從某種層面上來看，光合作用顯得十分簡單：植物、綠藻和某些細菌利用陽光和二氧化碳合成能量。然而，一直困擾生物學家的是，光合作用的過程看上去實在是過于輕松了。

科學家尤其對其中光能—化學能的轉化過程感到困惑。光子穿越數(shù)十億千米的空間，與窗外葉片中的電子發(fā)生碰撞。電子受到能量刺激，開始像彈力球一樣來回撞擊。它穿過葉片細胞中的一個狹小空間，把多余的能量傳遞給植物中作為能量貨幣的分子。

問題在于，這個微型的彈力球機器的運轉過于良好。經典物理學認為，由于不規(guī)則運動，激發(fā)態(tài)電子穿越細胞需要花費一定時間。但實際上，這一過程要快得多。

此外，激發(fā)態(tài)電子在這一過程中幾乎不會損失能量，而經典物理學認為電子在這個微型彈力球系統(tǒng)中來回碰撞會消耗一定能量。事實上，這一過程過于迅速、過于順利、過于高效了，理想到不像是真的。

2007年，研究光合作用的學者開始看到曙光?？茖W家在光合作用的分子中心發(fā)現(xiàn)了量子效應的痕跡，而且電子運動的明顯特征揭示，量子效應可能在光合作用中扮演著重要的生物學角色。

這很可能是電子快速高效地通過光合作用系統(tǒng)的部分機制！量子效應的特性之一就是同時出現(xiàn)在多個地方——這一特性被稱為量子態(tài)疊加。利用這一特性，電子可以在光合作用系統(tǒng)中同時存在于多條路線上。這樣一來，它就可以在瞬間找到一條最短、最高效的路徑，將碰撞的耗能降到最低。

量子物理學或許可以解釋為什么光合作用的效率高到難以置信。

“我覺得，這就是那種人們開始意識到有什么激動人心的事情正在上演的時刻?！钡聡鵀鯛柲反髮W的量子物理學教授蘇珊娜·赫爾佳說。

在此之前，疊加態(tài)這樣的量子現(xiàn)象只有在高度控制的實驗條件下才能看到。觀察量子效應的典型實驗條件包括將材料溫度降至接近絕對零度，以減弱可能湮滅量子行為的其他原子活動。而且，即使在這樣的溫度條件下，材料仍然必須被隔絕在真空里，并且量子行為仍然微弱到只有用極其精密敏感的儀器才能檢測到。

在我們看來，活細胞內部潮濕、溫暖和忙碌的環(huán)境是最不可能出現(xiàn)量子事件的?！暗词故窃谶@樣的環(huán)境里，量子特性仍然活躍著。”赫爾佳說，“當然，活細胞中意外地存在著量子特性，并不代表這些特性扮演著有用角色。雖然有理論解釋量子態(tài)疊加如何讓光合作用加速，但是這一量子行為和生物學過程之間的聯(lián)系還缺乏確鑿證據。接下來的研究應該著眼于獲得一些量子力學的證據，來說明進行光合作用的生物機器如此高效正是因為量子現(xiàn)象?！?/p>

生物學中的量子效應或許可以解釋鳥類在遷徙時是如何確定飛行方向的。

生物學中的量子效應很可能會為延續(xù)至今的另一個科學之謎提供答案：鳥類在遷徙時是如何確定飛行方向的。

鳥類遷徙，例如歐洲知更鳥，總是跨越數(shù)千千米的距離，飛到歐洲南部或者非洲北部越冬。如果沒有指南針，這樣陌生的旅途不僅危險，甚至根本不可能。如果飛錯了方向，來自波蘭的知更鳥就很可能要在西伯利亞，而不是在摩洛哥過冬了。

我們很難想象生物指南針是什么樣的。如果知更鳥腦中或者眼睛里具有微型針狀磁性結構，生物學家一定已經找到了。但事實并非如此：承擔這一功能的生物構造目前仍然是未知的。

20世紀70年代出現(xiàn)了另一種替代性的理論，指出鳥類很可能是通過依賴量子現(xiàn)象的化學指南針來辨別南北的。

英國牛津大學的化學家彼得·霍爾說，在自由基這種攜帶可激發(fā)單電子的分子以及被稱為自旋的量子特性的幫助下，化學指南針可以發(fā)揮作用。

分子中的電子通常是成對出現(xiàn)的，具有相反的自旋方向，可以相互抵消。這意味著它可以自由地跟環(huán)境相互作用，包括磁場。

霍爾說，事實證明，知更鳥會因為某一特殊波段的無線電波的干擾而暫時喪失方向感，而無線電波就是一種電磁波。如果無線電波的頻率恰好和電子自旋的頻率相同，就會造成電子共振。這種共振和你在洗澡時哼小曲出現(xiàn)的情況差不多，有些音符聽上去會比其他音符更加飽滿。恰當?shù)臒o線電波頻率會讓電子振動得更加激烈。

但無線電波和鳥類使用化學指南針導航又有什么關系呢？理論上講，鳥類眼睛后方的自由基會對地球磁場產生反應，導致電子離開其在化學指南針中的原有位置，啟動一系列化學反應，生成某種特殊的化學物質。只要鳥沿著相同的方向飛，這種化學物質就會不斷聚集。

因此，這種化學物質的含量就是信息的來源，在鳥類神經細胞中產生信號。作為環(huán)境線索的一部分，這一信息將告訴鳥它是在飛往西伯利亞還是摩洛哥。

對無線電波的觀察十分重要，因為能夠干涉電子自旋的因素，至少從理論上講也會干擾化學指南針。有時候，研究某種東西為什么失效，和研究某種東西為什么有效同樣有用。

即使如此，量子指南針也只停留在想法上，還沒有在自然界中找到。目前，霍爾專注于利用理論上講應該受無線電波影響的分子來確定量子指南針的工作原理。

“我們用模式分子做了實驗，以確定化學指南針的形成原理?！被魻栒f，“這些實驗幫助鎖定了一些看上去適合檢測磁場的分子，但是我們不清楚這些分子在鳥類體細胞中的作用是不是完全相同。”

霍爾認為，磁場指南針只是鳥類復雜的導航系統(tǒng)中的一部分，用來解釋指南針工作方式的量子理論或許是目前的最佳答案。但要把鳥類行為模式和理論化學聯(lián)系起來，還有大量工作要做。

我們的鼻子到底怎樣分辨紛繁復雜、形態(tài)各異的氣味分子？

有一個研究領域似乎更接近量子生物學的現(xiàn)實：嗅覺的科學。

我們的鼻子到底怎樣分辨紛繁復雜、形態(tài)各異的氣味分子，對傳統(tǒng)嗅覺理論來說仍然是巨大挑戰(zhàn)。當一個氣味分子飄入鼻孔，沒有人確切知道后面會發(fā)生什么。這個分子通過某種不明確的方式與鼻腔內皮膚上的感受器——也就是分子受體——進行了反應。

受過良好訓練的人類的嗅覺可以分辨數(shù)千種不同的氣味。但是這些氣味信息是怎樣攜帶在氣味分子的形態(tài)上的，仍然是一個謎。許多分子的外形幾乎完全相同，只不過改變了一兩個原子，就可以擁有非常不同的氣味。香草醛聞起來是香草味，而分子形狀與其極為相似的丁香油酚聞起來卻是丁香味。有些分子互為鏡像（就像左右手），也具有不同的氣味。但更令人奇怪的是，一些形狀差異很大的分子聞起來幾乎完全一樣。

盧卡·圖林是希臘亞歷山大·弗萊明生物醫(yī)學研究所的化學家，他正致力破解分子編碼氣味的特性?！靶嵊X本質的獨特之處在于，我們分析氣味分子和原子的能力，與目前已知的分子識別機制不一致?！彼f，“分子形狀不是決定氣味的唯一因素，分子中化學鍵的量子特性才提供了關鍵信息?！?/p>

根據圖林的嗅覺量子理論，當氣味分子進入鼻腔與受體結合時，會導致受體產生一種叫作“量子隧穿”的過程。

量子隧穿效應產生時，電子可以從材料的A點跳躍到B點，就好像繞過了兩點之間的所有區(qū)域。與鳥類的量子指南針類似，關鍵因素在于共振。圖林說，氣味分子中的某個特別的化學鍵可以與相匹配的能量共振，幫助電子從受體分子的一端跳躍到另一端。

當電子跳躍到受體的另一個位點時，可以觸發(fā)一系列反應，最終使大腦接收到受體接觸到了某種特別分子的信號。圖林說，這就是分子具有特定氣味的關鍵，而這一過程從本質上講是量子的。

“嗅覺需要一種有關分子實際化學成分的機制，”他說，“正因為這一點，量子隧穿是非常自然的解釋?！?/p>

這一理論有一個強有力的證據。圖林發(fā)現(xiàn)，即便是兩個形狀差異很大的分子，如果它們包含能量相似的化學鍵，聞起來就可能是一樣的。

比如硼烷。這種非常罕見且難以獲得的化合物聞起來就像硫黃，但是，硼烷跟硫的化學差異非常大，實際上兩者沒有任何聯(lián)系。它們之間唯一的共性就是振動頻率。而在自然界中，也只有這兩種物質聞起來是一樣的。

雖然這個發(fā)現(xiàn)對嗅覺量子理論來說是巨大的成功，但仍然不是最終的證據，圖林希望能夠捕捉到受體正在利用量子現(xiàn)象的瞬間。他說他們已經“非常接近”成功了?！拔也幌胝f出來壞了運氣，但是我們正在朝這方面努力?！彼f，“我們找到了一種實驗方法，所以在將來幾個月里我們一定會試一試。我認為推進這項研究的關鍵就在這里了?！?/p>

不管自然界是不是已經搶先一步， 都有必要把生物學和量子物理學結合起來發(fā)展新技術。

無論自然界是不是真的進化出了可以利用量子現(xiàn)象幫助生物體將光能轉化為化學能、辨別方向，或者區(qū)分香草和丁香的氣味的功能結構，原子世界的奇怪特性仍然可以向我們揭示很多活細胞的精細功能。

“還有第二種觀察量子力學和生物學相互作用的方法，那就是利用傳感和探測?！焙諣柤颜f，“量子探針可以闡明生物系統(tǒng)動力學中很多有趣的事情。不管自然界是不是已經搶先一步，都有必要把生物學和量子物理學結合起來發(fā)展新技術。例如，在生物性光伏電池中使用量子效應，可以極大地提高太陽能電池板的效率。當前，有機光伏領域進行著大量活動，探索怎樣通過自然或者人工結構利用量子效應來提高效率?！?/p>

現(xiàn)在，即使研究領域針對這些頑固的生物學難題提出了完全未知的新觀點，使得量子理論只能退居其次，但生物學家和量子物理學家仍然能夠進一步交流?！斑@個合作故事一定會有一個圓滿的結局?！焙諣柤颜f。