统治生命的量子理论

■高鹏

人们往往认为量子物理学那些希奇古怪的规则仅限于微观世界，但现在，科学家怀疑它们可能在生命生物学中发挥着重要作用。越来越多的证据表明，量子力学参与到了广泛的生物过程中，包括光合作用、鸟类迁徙，甚至是生命起源。

这些理论和其他一些玄妙的论题，正是作为世界科学节第五次年会的一部分，于2012年6月1日在纽约市立大学亨特学院凯伊剧场举行的一次分组座谈的主题。

“生命由原子造就，而原子是按照量子机制行事的。”亚利桑纳州立大学宇宙学家保罗·戴维斯说，“生命已经存在很长时间了（在这个星球上至少35亿年），有充足的时间来学习一些量子的‘把戏’，如果这样做能够赋予它优势的话。”

鸟的大脑

有一个领域的线索暗示着生命与量子力学有着千丝万缕的联系，那就是鸟类和其他迁徙动物所拥有的体内指南针。许多鸟类每年迁徙数千千米，返回的不仅仅是与去年相同的地区，而且绝对是同一个繁育点。

长久以来，让科学家一直困惑不解的是，鸟类是如何获得如此精准的导航技巧的，于是科学家假设鸟类拥有某种基于地球磁场以感知方向的能力。“我们清楚地看到，它们可以检测到磁场，”美国加州大学欧文分校的生物物理学家托斯顿·丽思说，“而我们却不能说‘这是磁性器官’。”

现在，越来越多的证据表明，鸟类可能依赖的是量子纠缠，因此，如果有个动作作用于一个粒子，其他粒子也会感受到作用的影响。科学家认为，这一过程因鸟类眼细胞中一种叫做隐花色素的蛋白质而成为可能。当绿光传入鸟的眼睛，击中隐花色素，而使得纠缠电子对中的一个电子能量提高，从配对中脱离。该电子在其新的位置，所遭遇的地球磁场的强度略有不同，这将改变电子的自旋。鸟类可利用此信息建立起一幅地球磁场的内部地图，以计算它们所处的位置与方向。

该理论从一个最近进行的果蝇实验中得到了支持，而果蝇也有隐花色素。当将此感光蛋白质从果蝇中提取走之后，它们因失去磁场敏感性而神经错乱。

嗅探气味

量子力学可以解决的另一个实例是嗅觉。起初，生物学家认为，通过一个简单的模型他们就可以理解气味的形成：气味分子飘入鼻子，鼻子中的受体分子与这些气味分子相结合，并根据其特定的形状来确定它们。

科学家说，量子力学的奇妙规则，也许在实际上使得许多的生命基本过程成为可能

但后来科学家意识到，某些具有相同形状的气味分子，仅仅因为一丁点儿的化学变化，如某个氢原子被其较重的同位素氘原子所取代，却具有完全不同的气味。虽然此举影响了分子的重量，但并不改变其形状，因此该分子仍会以完全相同的方式与受体分子结合。那么，嗅觉系统是如何感知这种差异的呢？答案可能就在于，量子粒子具有表现的像波一样的能力。

“该理论就是，即使分子的形状是一样的，但因为它有着微小的差别，所以其振动的模式不同，”劳埃德说，“这种像波一样的性质，是一种纯粹的量子才具有的效应，但不知何故受体就是能够感受到这种振动的差别。”

缺失的一环

物理学家正在越来越多地探索生物学未解之谜，希望量子力学可以提供这些谜题中缺失的一环。他们甚至希望，它可以阐明在所有生物学中都是最棘手的问题之一——生命是如何开始的。“我们想知道‘非生命是如何转变为生命的’，”戴维斯说，“生命很显然是物质的一种独特的状态。我们想知道的是，是否这种独特性在根本上就是量子力学的独特性。”

但在物理学家兴奋地尝试用量子钥匙去打开生物学之锁时，另一些科学家却在警告他们的手伸得太远了。

“量子力学奇妙而又神秘，”劳埃德说，“生命的起源也是奇妙而又神秘的。但这并不意味着它们是一回事。我认为当一个人说所有奇妙而又神秘的东西都有相同的起源时，应当出言谨慎。”