鸟类也“懂”量子力学

王昱

任何学科都有它自己的适用范围，但它和人们固有印象中的范围并不一定一致，并且学科的适用范围可能随着时代的发展而产生改变。所以，听到量子生物学时，其不可思议程度，甚至会让有些人怀疑这是某些人编出来的学科。但它的确是当前生物学的一个研究方向，甚至现在发现了越来越多生物体内存在量子效应的证据。

早在1944年，薛定谔在他的著作《生命是什么》中就曾设想过将量子力学机制应用到生物学上，用于研究遺传系统。但半个多世纪以来，相关领域始终没有什么显著进展。直到近20年，越来越多出现在生物学中的量子效应，让量子生物学成为了一个严肃的科研方向。

科学家已经找到了一些生物学中的量子效应，比如某些酶催化反应中涉及量子隧穿。除了这种生物学基本反应，量子力学同样可能出现在更直观的例子中，比如光合作用中涉及的波粒二象性，以及鸟类迁徙时的导航，可能依靠基于自由基对中纠缠电子自旋状态的化学反应。

虽然我们无法感知量子效应，但人类细胞也可以对磁场作出响应。近日，东京大学的科学家发现：由于量子效应，海拉细胞内的荧光能对磁场作出反应，这项发现为“鸟类导航时用量子效应识别磁场”的假说提供了新的直接证据。由此，我们不得不考虑量子生物学的更广泛应用。

从生物导航到量子力学

包括鸟类、海龟、鱼类在内的多种动物都会进行迁徙。对这些动物而言，地磁场是长距离迁徙过程中的可靠参照物。不过地磁场的变化非常微弱，在南北方向平均只有每千米3纳特斯拉（nT）的变化，东西方向更是要少得多。同时，地磁场很容易受到各种因素造成的30～100 nT的干扰。

很难想象鸟类这种快速移动的生物，是如何用这样的地磁场实现10～30千米精度的导航的。至少它们需要对磁场有十分准确的感应。2018年，《自然》杂志刊登了一篇关于迁徙动物长距离导航和磁感的综述，其中总结了3种可能的磁感产生方式，分别为电磁感应、基于磁性粒子的磁感受和基于自由基对的磁感受。其中，基于自由基对的磁感受与量子力学紧密相关。

隐花色素是一种在鸟类视网膜中发现的蛋白质，在20世纪90年代时就引起过科学家的注意。在光热等外界条件下，隐花色素共价键发生均裂，形成的具有不成对电子的原子或基团，就是自由基。根据泡利不相容原理，形成共价键的两个电子自旋必须相反。当自由基成对产生时，它们的自旋状态被认为保持纠缠状态，互相关联。而磁场的出现会让原本处于简并的能级分裂，产生三重态，改变能级，从而影响一些化学反应。根据上述假说，这些化学反应产生的影响传入鸟类大脑后，经过处理，鸟类就能对磁场作出反应，从而进行导航。

改变的荧光

但这只是一种理论，需要更多的实验验证。

例如，在2004年发表的一项研究中，研究小组将知更鸟暴露于以模型预测的频率和角度振荡的磁场中，这破坏了自由基对对地磁场的敏感性，进而破坏了鸟类的导航能力。

2018年，对隐花色素Cry4的分子特性和表达模式的两项研究表明，该蛋白可能是斑马雀科和欧洲知更鸟的磁感受器候选体。

而在一项发表于《美国科学院院刊》的近期研究中，东京大学的科学家首次直接观察到这个假设中的反应——并且不是在鸟类细胞中，而是人类细胞中。关键的隐花色素并不仅仅存在于鸟类视网膜中，它在多种生物的多类细胞中都有发现，被认为和昼夜节律的调节有关。虽然人类无法感受磁场，但人类细胞中同样含有隐花色素，并且人类细胞中的自体荧光也会受到磁场影响。

论文作者乔纳森·伍德沃德说：“我们没有向这些细胞中添加或移除任何东西。我们认为这是一个非常有力的证据，表明我们已经观测到了影响细胞水平化学活性的纯量子力学过程。”

科学家将海拉细胞（是一种具有无限增殖能力的细胞。在医学界，海拉细胞被广泛应用于肿瘤研究、生物实验或者细胞培养，已经成为医学研究中非常重要的工具）放置于蓝光环境中，细胞会发出微弱的荧光。这是由于隐花色素吸收了光子之后进入高能态，内部发生电子转移产生自由基对。自由基对在重新组合时，放出光子，就形成了荧光。

而整个过程中，由于自由基对内部的电子保持纠缠状态，因此可以将其看作一个受磁场影响的整体。能级会受磁场影响而发生分裂，从单态变为三重态，自由基对产生的速率也就因此下降。在实验中的表现，就是细胞的荧光变暗。

实验向海拉细胞施加变化的磁场，实验发现在±25毫特斯拉（mT）的磁场的影响下，细胞荧光相比没有磁场时平均会减弱1%～2.5%。或许在人类大多数体细胞中，这些荧光难以被察觉，但是如果处于视觉敏锐的鸟类的视网膜中，就有可能让它对磁场的变化作出反应。

伍德沃德说：“这项研究的有趣之处在于，两个电子的自旋之间的关系可能会对生物学产生巨大的影响。”

鬼魅的量子与生物的行为之间都能产生联系，足以让我们怀疑生物学还有一些方面是由基础物理深处的怪异现象引起的。纵使有些违背直觉，但多学科深度融合继续发展的脚步不会停止。（据《环球科学》）