蝴蝶迁徙背后的量子秘密

郑渝川

量子理论刷新了现代自然科学诸多学科的进展，也极大的扩充了研究视野，也有助于人们用科学的方法去理解在过去被理解为神秘主义的现象、不可知的事物。

帝王蝶每年9～11月，会从加拿大东南部及美国中北部，朝着西南方向开始长达3000多公里的飞行迁徙。这是一个壮观的飞行旅程，帝王蝶途中会经过沙漠、大草原、田野、山林以及一大片的淡水河谷，最后到达墨西哥中部山区，选择几座高山的山顶作为自己过冬的栖息地。来年的春天，帝王蝶又会开始北归，沿着头一年秋天的相反方向，回到北方。

帝王蝶的生命很短，事实上，没有一只帝王蝶可以完整地经历南迁及北归。帝王蝶会在迁徙中繁殖，夏天出现在加拿大的帝王蝶，跟冬天墨西哥高山上的帝王蝶，以及来年夏天的帝王蝶，并不是同一批，往后的批次是之前一代蝴蝶的子孙。

为什么帝王蝶能够精确地遵循着父辈的脚步，一代接着一代的在千里之外之间来回迁徙？这个问题让科学家疑惑并感到兴奋。经过长期的跟踪研究，科学家发现，与其他许多迁徙动物一样，蝴蝶利用视觉、嗅觉、太阳罗盘等多种感官进行导航，其体内遵循着接近24小时的生物节律（生物钟）。蝴蝶在白天的迁徙中会根据生物钟并参照太阳的位置来修正前进的方向。

遗传学家将与蝴蝶具有诸多相似特点的果蝇作为实验对象。研究发现，果蝇变异种中的变异出现在编码某种眼内蛋白的基因上，这种蛋白即隐花色素。果蝇变种缺乏隐花色素，因而失去了感知生物钟的能力。类似的隐花色素陆续在包括人类以及其他动物的眼中发现，甚至一些更小的植物、光合微生物中也存在。

帝王蝶的触角中也有隐花色素。科学家进一步发现，帝王蝶触角中的这种物质，使之能够感知地球的磁场。正如人类历史上不同时代的航海冒险家，总是借助地球磁场进行探索一样，在更为久远的时间里，包括鸟类、昆虫、哺乳动物、鱼类等许许多多生物，都进化出了利用地磁场进行导航的能力。

极其微小的生物，在迁徙中利用显然非常微弱的地球磁场辨别前行方向，这个发现令人震惊，科学界也是在多年后才接受这样的结论。微小的磁场作用，在极其精细的生物平衡系统之中，可以起到决定性作用。20世纪末至本世纪头10年，来自不同国家的物理学家、生物学家都在试图揭示地球磁场定位及其因此带来的生物化学反应的奥秘。一连串的实验表明，鸟类导航的能力会被强度仅为地球磁场数千分之一的极度微弱磁场所干扰，而多种水生动物、蜜蜂、微生物的磁感应实验也在高频开展之中。

一个明显的事实是，磁感应能力及其机制的广泛分布表明这种能力源自不同生物的共同祖先，经由遗传而来。遗传信息准确地自我复制，是生命延续的根本动力，而在这其中极个别信息出现变异，就导致物种出现进化。生物学与量子力学就这样发生了重要的交集。

英国最为有名的量子生物学家、萨里大学物理学教授吉姆·艾尔—哈利利与另一位量子生物学家、萨里大学分子遗传学教授约翰乔·麦克法登合著的《神秘的量子生命：量子生物学时代的到来》，向读者引介了正在从全新角度揭示生命奥秘的量子生物学的发展历程。

量子力学在牛顿力学、热力学基础上，深化并重新塑造了物理学。德国物理学家马克斯·普兰克因追寻黑体辐射之谜，发现了能量以“量子”的离散团块传递，引导了量子理论诞生。这一全新领域、理论，刷新了现代自然科学诸多学科的进展，也极大的扩充了研究视野，也有助于人们用科学的方法去理解在过去被理解为神秘主义的现象、不可知的事物。量子的波粒二象性，直接赋予了量子隧穿的可能，还使得叠加态的现象出现，解释了电子、质子与中子拼合和拆离的秘密。当然，量子的诸多有悖于常识、常理的特异性，是因为构成非生命物体的分子持续向各个方向随机运动，因而被抵消了。

书中回顾了近代以来物理学和生物科学的发展历史，聚集于“生命是什么”这一核心命题，就薛定谔所说的“生命正是一种能在空中飞翔、能用两足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤里生长……的量子现象”展开叙述。薛定谔的判断被一代代物理学家和生物学家不断否定，又在获得新的成果后，重新纳入研究视野。光合作用过程中的量子现象，人类及其他动物的感官反应背后所联系的量子计算，等等，这些常见现象背后都隐藏着令人叫绝的量子反应。

从细胞的研究到基因研究，科学家不断拓展生物学研究视阈，一个重要的假设在后来获得证实，即生命的遗传密码其实就是量子密码，遗传配置过程及极个别的变异，也遵循量子定律。对酶的研究揭示了量子隧穿现象，也说明量子现象完全可以发生在活细胞中热、湿、乱的环境下。“酶可以精确操纵基本粒子的运动，并能借此深入到量子世界中利用其奇异的法则”，这是酶具备催化能力的关键。

全书第七章谈到了人类心智之谜。人类能否界定为精密的量子计算机？神经科学家的这个判断曾引发无数争议，的确，哪怕将数十亿台计算机联网，也无法产生意识，更不要说与一个人大脑中千亿级别的神经元网络的计算能力相比。但最早提出这方面判断的牛津大学数学家罗杰·彭罗斯的判断，近年来获得了越来越多科学同行的支持。量子计算机依照量子位计算，计算能力以指数级增长。罗杰·彭罗斯还曾推出专著，宣称大脑中神经元中的微管蛋白与其他神经元中的微管蛋白维持着所谓的量子纠缠——如果这个判断成立，大脑中海量的神经元之间的联系就完全得以证实，独立的每条神经所包含信息就可能以这种方式整合起来，大脑就可以称之为原理神秘但是异常强大的量子计算机。

随着量子生物学的发展，相信包括人类心智意识的秘密在内的诸多悬念，都将一一宣告终结。未来，人类很有可能依照量子理论创造生命体，改进人体在内的生物体，让世界的生命形态变得更加完善和美好。