鳥類也“懂”量子力學(xué)

王昱

任何學(xué)科都有它自己的適用范圍，但它和人們固有印象中的范圍并不一定一致，并且學(xué)科的適用范圍可能隨著時代的發(fā)展而產(chǎn)生改變。所以，聽到量子生物學(xué)時，其不可思議程度，甚至?xí)層行┤藨岩蛇@是某些人編出來的學(xué)科。但它的確是當(dāng)前生物學(xué)的一個研究方向，甚至現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了越來越多生物體內(nèi)存在量子效應(yīng)的證據(jù)。

早在1944年，薛定諤在他的著作《生命是什么》中就曾設(shè)想過將量子力學(xué)機制應(yīng)用到生物學(xué)上，用于研究遺傳系統(tǒng)。但半個多世紀以來，相關(guān)領(lǐng)域始終沒有什么顯著進展。直到近20年，越來越多出現(xiàn)在生物學(xué)中的量子效應(yīng)，讓量子生物學(xué)成為了一個嚴肅的科研方向。

科學(xué)家已經(jīng)找到了一些生物學(xué)中的量子效應(yīng)，比如某些酶催化反應(yīng)中涉及量子隧穿。除了這種生物學(xué)基本反應(yīng)，量子力學(xué)同樣可能出現(xiàn)在更直觀的例子中，比如光合作用中涉及的波粒二象性，以及鳥類遷徙時的導(dǎo)航，可能依靠基于自由基對中糾纏電子自旋狀態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。

雖然我們無法感知量子效應(yīng)，但人類細胞也可以對磁場作出響應(yīng)。近日，東京大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：由于量子效應(yīng)，海拉細胞內(nèi)的熒光能對磁場作出反應(yīng)，這項發(fā)現(xiàn)為“鳥類導(dǎo)航時用量子效應(yīng)識別磁場”的假說提供了新的直接證據(jù)。由此，我們不得不考慮量子生物學(xué)的更廣泛應(yīng)用。

從生物導(dǎo)航到量子力學(xué)

包括鳥類、海龜、魚類在內(nèi)的多種動物都會進行遷徙。對這些動物而言，地磁場是長距離遷徙過程中的可靠參照物。不過地磁場的變化非常微弱，在南北方向平均只有每千米3納特斯拉（nT）的變化，東西方向更是要少得多。同時，地磁場很容易受到各種因素造成的30～100 nT的干擾。

很難想象鳥類這種快速移動的生物，是如何用這樣的地磁場實現(xiàn)10～30千米精度的導(dǎo)航的。至少它們需要對磁場有十分準確的感應(yīng)。2018年，《自然》雜志刊登了一篇關(guān)于遷徙動物長距離導(dǎo)航和磁感的綜述，其中總結(jié)了3種可能的磁感產(chǎn)生方式，分別為電磁感應(yīng)、基于磁性粒子的磁感受和基于自由基對的磁感受。其中，基于自由基對的磁感受與量子力學(xué)緊密相關(guān)。

隱花色素是一種在鳥類視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，在20世紀90年代時就引起過科學(xué)家的注意。在光熱等外界條件下，隱花色素共價鍵發(fā)生均裂，形成的具有不成對電子的原子或基團，就是自由基。根據(jù)泡利不相容原理，形成共價鍵的兩個電子自旋必須相反。當(dāng)自由基成對產(chǎn)生時，它們的自旋狀態(tài)被認為保持糾纏狀態(tài)，互相關(guān)聯(lián)。而磁場的出現(xiàn)會讓原本處于簡并的能級分裂，產(chǎn)生三重態(tài)，改變能級，從而影響一些化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)上述假說，這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的影響傳入鳥類大腦后，經(jīng)過處理，鳥類就能對磁場作出反應(yīng)，從而進行導(dǎo)航。

改變的熒光

但這只是一種理論，需要更多的實驗驗證。

例如，在2004年發(fā)表的一項研究中，研究小組將知更鳥暴露于以模型預(yù)測的頻率和角度振蕩的磁場中，這破壞了自由基對對地磁場的敏感性，進而破壞了鳥類的導(dǎo)航能力。

2018年，對隱花色素Cry4的分子特性和表達模式的兩項研究表明，該蛋白可能是斑馬雀科和歐洲知更鳥的磁感受器候選體。

而在一項發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》的近期研究中，東京大學(xué)的科學(xué)家首次直接觀察到這個假設(shè)中的反應(yīng)——并且不是在鳥類細胞中，而是人類細胞中。關(guān)鍵的隱花色素并不僅僅存在于鳥類視網(wǎng)膜中，它在多種生物的多類細胞中都有發(fā)現(xiàn)，被認為和晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)有關(guān)。雖然人類無法感受磁場，但人類細胞中同樣含有隱花色素，并且人類細胞中的自體熒光也會受到磁場影響。

論文作者喬納森·伍德沃德說：“我們沒有向這些細胞中添加或移除任何東西。我們認為這是一個非常有力的證據(jù)，表明我們已經(jīng)觀測到了影響細胞水平化學(xué)活性的純量子力學(xué)過程?！?/p>

科學(xué)家將海拉細胞（是一種具有無限增殖能力的細胞。在醫(yī)學(xué)界，海拉細胞被廣泛應(yīng)用于腫瘤研究、生物實驗或者細胞培養(yǎng)，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)研究中非常重要的工具）放置于藍光環(huán)境中，細胞會發(fā)出微弱的熒光。這是由于隱花色素吸收了光子之后進入高能態(tài)，內(nèi)部發(fā)生電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基對。自由基對在重新組合時，放出光子，就形成了熒光。

而整個過程中，由于自由基對內(nèi)部的電子保持糾纏狀態(tài)，因此可以將其看作一個受磁場影響的整體。能級會受磁場影響而發(fā)生分裂，從單態(tài)變?yōu)槿貞B(tài)，自由基對產(chǎn)生的速率也就因此下降。在實驗中的表現(xiàn)，就是細胞的熒光變暗。

實驗向海拉細胞施加變化的磁場，實驗發(fā)現(xiàn)在±25毫特斯拉（mT）的磁場的影響下，細胞熒光相比沒有磁場時平均會減弱1%～2.5%?；蛟S在人類大多數(shù)體細胞中，這些熒光難以被察覺，但是如果處于視覺敏銳的鳥類的視網(wǎng)膜中，就有可能讓它對磁場的變化作出反應(yīng)。

伍德沃德說：“這項研究的有趣之處在于，兩個電子的自旋之間的關(guān)系可能會對生物學(xué)產(chǎn)生巨大的影響?！?/p>

鬼魅的量子與生物的行為之間都能產(chǎn)生聯(lián)系，足以讓我們懷疑生物學(xué)還有一些方面是由基礎(chǔ)物理深處的怪異現(xiàn)象引起的?？v使有些違背直覺，但多學(xué)科深度融合繼續(xù)發(fā)展的腳步不會停止。（據(jù)《環(huán)球科學(xué)》）