不懂量子力学？没关系！你的身体懂，植物懂，鸟类也懂
2021/7/10 10:00:00 中国科普博览

    

     量子效应不仅出现在微观世界，在生命系统中也普遍存在。

    

     来源：Princeton University

     你或许不懂量子力学，但你的身体懂。当你的鼻子闻气味时，可能已经不知不觉用上了量子力学。

     不只是你，植物在阳光下进行光合作用，候鸟循着地球磁场长途迁徙，DNA发生突变，酶催化化学反应，这些过程都用到了量子力学。甚至有科学家认为，人类的大脑就像是一台量子计算机，神经元利用量子比特来编码信息。

     量子现象在生命世界真的无处不在吗？事情或许真是这样。

     Part.1

     生命系统也存在量子效应？

     我们生活在一个经典世界中，没有什么东西可以同时出现在两个地方；如果速度不够快，滚动的小球就无法冲上小山坡；物体运动的速度永远不可能超过光速。

     但在诡异的量子世界，这些日常经验似乎都被打破：

     光子、电子这样的微观粒子不仅具有粒子的性质，也具有波的性质，它们可以同时处于两种不同状态，比如同时穿过两道狭缝——这被称为量子相干性；可以像幽灵般穿过原本看似不可穿透的能量壁垒——所谓的量子隧穿效应；两个纠缠的粒子无论相隔多远，都可以瞬间感知到彼此的状态——也就是发生量子纠缠。

    

     在宏观世界，猫不可能处于“死”和“活”的叠加态。

     (来源：Gerd Altmann)

     量子力学准确地描述了原子、分子的行为，当这些原子、分子聚集成宏观世界复杂的生命体时，量子效应会丢失吗，还是会跨越尺度延伸出去？在生命系统中也存在量子效应吗？

     长久以来，科学家们都认为，量子效应只有在尺度非常小、温度非常低的极端环境中才能表现出来，在温暖湿润的生命系统中，大量粒子的集体运动会产生嘈杂的背景噪音，淹没任何古怪的量子效应。

     但越来越多的证据表明，量子现象在生命系统中普遍存在。植物的光合作用、迁徙的候鸟靠磁场导航、人类闻到不同气味，都要依靠量子力学。

     Part.2

     光合作用中的量子相干性

     在光合作用中，光子会激发叶绿素分子中的电子，产生一种名为激子的准粒子。接下来，激子从一个叶绿素分子转移到下一个，直到抵达一个叫做反应中心的地方，将能量转化为可供植物代谢的化学能。

     在植物体内，这个转移过程持续时间极短，效率接近100%。如果激子只是在叶绿素分子间随机游走，最终误打误撞抵达反应中心，就会因为绕路丢失掉很多能量，显然不是一种高效的行为。

     2007年发表在《自然》杂志上的一项研究发现，激子可能是像波一样传播，可以同时感知所有能抵达反应中心的路径，并选择最高效的那条，也就是说，激子在叶绿素分子间的转移过程是量子相干的，从而帮助提高植物进行光合作用的效率。

    

     植物光合作用过程中可能涉及到量子相干性。

     (来源：World Science Festival)

     Part.3

     迁徙候鸟与量子纠缠

     欧亚鸲(qú)，俗称知更鸟，是一种习惯在夜间迁徙的候鸟。每年冬天，它们都会通过磁感知向南飞行数千公里，仿佛自带指南针般不会迷路。地球磁场非常微弱，比冰箱贴还弱100倍，这些候鸟怎么会具有如此敏锐的磁感知能力呢？

    

     欧亚鸲具有神秘的第六感——磁感知能力，可以在飞行途中定位导航。

     (来源：Corinna Langebrake, Ilia Solov’yov)

     研究发现，随着迁徙季节的临近，欧亚鸲视网膜中的隐花色素CRY4的表达水平会上升，在非迁徙鸟类中则不存在这种现象，因此科学家猜测，候鸟的磁感知能力很可能与隐花色素有关。

     隐花色素是一种光敏蛋白质，吸收光子后会发生化学反应，产生自由基对。自由基对由两个自由基组成，每个自由基包含奇数个电子。这些电子彼此之间可以产生量子纠缠，并对地球磁场的方向很敏感。

     在2021年6月23日发表于《自然》杂志的一项最新研究中，科学家第一次成功获得了欧亚鸲的隐花色素蛋白CRY4，证明它确实具有明显的磁敏感性。施加磁场后，隐花色素蛋白在蓝光照射下会发生化学反应，使得具有磁敏性的自由基对增多，从而帮助鸟类感知身体相对于地球磁场的方向。

    

     视网膜中的隐花色素蛋白可以帮助欧亚鸲感知磁场方向。

     (来源：Ilia Solov'yov)

     Part.4

     人类嗅觉与量子隧穿

     人类的鼻子可以分辨超过一万种不同气味，这到底是如何做到的呢？很可能和量子隧穿有关。

     气味分子从空气中进入鼻孔，与嗅觉神经元上的受体结合，让我们闻到不同气味。可是研究发现，像硼烷和硫磺这样形状不同的分子，却同样散发出腐烂鸡蛋的味道，而一些形状几乎相同的分子则有着完全不同的气味。

     如果嗅觉受体只是对气味分子的形状敏感，似乎不足以解释嗅觉的强大分辨本领。因此有化学家猜测，嗅觉对分子的化学键振动频率也很敏感。当气味分子和受体结合时，如果它以某种频率振动，分子中的一个电子就会通过量子隧穿抵达受体的另一侧，通过这个电子转移过程，大脑就会接收到信号，判断出这是什么分子。

    

     量子现象在生命世界无处不在。

     (medium.com)

     早在1943年，物理学家薛定谔就提出，量子力学或许在生命当中发挥着作用。但直到今天，对于生命系统中的量子现象，我们仍然所知甚少。

     量子效应为何可以在温暖嘈杂的生命系统中存在？这一切又是如何发生的？这些问题我们并没有答案。但是在数十亿年的生命演化史中，大自然似乎早已洞察先机，将量子的奥秘注入生命当中。

     参考文献:

     [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]《量子生物学能揭示生命的巨大奥秘吗？》，“返朴”公众号

     [7] 《生命与新物理学》，保罗·戴维斯

     来源：十点科学

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