瑪莎·昂立克斯

要說哪一門學(xué)科完美地概括了科學(xué)的艱澀難懂，一定非量子物理學(xué)莫屬?？茖W(xué)家告訴我們，量子世界中的微觀居民以看似不可能的方式活動：它們可以同時出現(xiàn)在兩個不同的地方，或者瞬間移位。

唯一令人欣慰的是，這些奇怪的量子行為對我們所知的宏觀世界并沒有什么影響。在我們的世界里，一統(tǒng)天下的是牛頓經(jīng)典物理學(xué)。

至少，幾年前科學(xué)家還是這樣想的。

現(xiàn)在，一度被認(rèn)為可靠的認(rèn)知開始分崩離析了。量子過程或許沒有我們想象得那樣遙不可及。恰恰相反，它們或許在一些我們非常熟悉的過程中發(fā)揮著作用，從給植物提供能量并最終給我們供給能量的光合作用，到鳥類的季節(jié)性遷徙。量子物理學(xué)甚至參與了我們的嗅覺。

實際上，量子效應(yīng)或許正是自然界用來改進(jìn)生命功能的許多手段之一，讓我們的身體運轉(zhuǎn)得更加流暢。在奇怪的量子世界的幫助下，我們甚至可以完成更多的事。

光合作用的過程看上去實在是過于輕松了。

從某種層面上來看，光合作用顯得十分簡單：植物、綠藻和某些細(xì)菌利用陽光和二氧化碳合成能量。然而，一直困擾生物學(xué)家的是，光合作用的過程看上去實在是過于輕松了。

科學(xué)家尤其對其中光能—化學(xué)能的轉(zhuǎn)化過程感到困惑。光子穿越數(shù)十億千米的空間，與窗外葉片中的電子發(fā)生碰撞。電子受到能量刺激，開始像彈力球一樣來回撞擊。它穿過葉片細(xì)胞中的一個狹小空間，把多余的能量傳遞給植物中作為能量貨幣的分子。

問題在于，這個微型的彈力球機器的運轉(zhuǎn)過于良好。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，由于不規(guī)則運動，激發(fā)態(tài)電子穿越細(xì)胞需要花費一定時間。但實際上，這一過程要快得多。

此外，激發(fā)態(tài)電子在這一過程中幾乎不會損失能量，而經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為電子在這個微型彈力球系統(tǒng)中來回碰撞會消耗一定能量。事實上，這一過程過于迅速、過于順利、過于高效了，理想到不像是真的。

2007年，研究光合作用的學(xué)者開始看到曙光?？茖W(xué)家在光合作用的分子中心發(fā)現(xiàn)了量子效應(yīng)的痕跡，而且電子運動的明顯特征揭示，量子效應(yīng)可能在光合作用中扮演著重要的生物學(xué)角色。

這很可能是電子快速高效地通過光合作用系統(tǒng)的部分機制！量子效應(yīng)的特性之一就是同時出現(xiàn)在多個地方——這一特性被稱為量子態(tài)疊加。利用這一特性，電子可以在光合作用系統(tǒng)中同時存在于多條路線上。這樣一來，它就可以在瞬間找到一條最短、最高效的路徑，將碰撞的耗能降到最低。

量子物理學(xué)或許可以解釋為什么光合作用的效率高到難以置信。

“我覺得，這就是那種人們開始意識到有什么激動人心的事情正在上演的時刻。”德國烏爾姆大學(xué)的量子物理學(xué)教授蘇珊娜·赫爾佳說。

在此之前，疊加態(tài)這樣的量子現(xiàn)象只有在高度控制的實驗條件下才能看到。觀察量子效應(yīng)的典型實驗條件包括將材料溫度降至接近絕對零度，以減弱可能湮滅量子行為的其他原子活動。而且，即使在這樣的溫度條件下，材料仍然必須被隔絕在真空里，并且量子行為仍然微弱到只有用極其精密敏感的儀器才能檢測到。

在我們看來，活細(xì)胞內(nèi)部潮濕、溫暖和忙碌的環(huán)境是最不可能出現(xiàn)量子事件的?！暗词故窃谶@樣的環(huán)境里，量子特性仍然活躍著?！焙諣柤颜f，“當(dāng)然，活細(xì)胞中意外地存在著量子特性，并不代表這些特性扮演著有用角色。雖然有理論解釋量子態(tài)疊加如何讓光合作用加速，但是這一量子行為和生物學(xué)過程之間的聯(lián)系還缺乏確鑿證據(jù)。接下來的研究應(yīng)該著眼于獲得一些量子力學(xué)的證據(jù)，來說明進(jìn)行光合作用的生物機器如此高效正是因為量子現(xiàn)象。”

生物學(xué)中的量子效應(yīng)或許可以解釋鳥類在遷徙時是如何確定飛行方向的。

生物學(xué)中的量子效應(yīng)很可能會為延續(xù)至今的另一個科學(xué)之謎提供答案：鳥類在遷徙時是如何確定飛行方向的。

鳥類遷徙，例如歐洲知更鳥，總是跨越數(shù)千千米的距離，飛到歐洲南部或者非洲北部越冬。如果沒有指南針，這樣陌生的旅途不僅危險，甚至根本不可能。如果飛錯了方向，來自波蘭的知更鳥就很可能要在西伯利亞，而不是在摩洛哥過冬了。

我們很難想象生物指南針是什么樣的。如果知更鳥腦中或者眼睛里具有微型針狀磁性結(jié)構(gòu)，生物學(xué)家一定已經(jīng)找到了。但事實并非如此：承擔(dān)這一功能的生物構(gòu)造目前仍然是未知的。

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了另一種替代性的理論，指出鳥類很可能是通過依賴量子現(xiàn)象的化學(xué)指南針來辨別南北的。

英國牛津大學(xué)的化學(xué)家彼得·霍爾說，在自由基這種攜帶可激發(fā)單電子的分子以及被稱為自旋的量子特性的幫助下，化學(xué)指南針可以發(fā)揮作用。

分子中的電子通常是成對出現(xiàn)的，具有相反的自旋方向，可以相互抵消。這意味著它可以自由地跟環(huán)境相互作用，包括磁場。

霍爾說，事實證明，知更鳥會因為某一特殊波段的無線電波的干擾而暫時喪失方向感，而無線電波就是一種電磁波。如果無線電波的頻率恰好和電子自旋的頻率相同，就會造成電子共振。這種共振和你在洗澡時哼小曲出現(xiàn)的情況差不多，有些音符聽上去會比其他音符更加飽滿。恰當(dāng)?shù)臒o線電波頻率會讓電子振動得更加激烈。

但無線電波和鳥類使用化學(xué)指南針導(dǎo)航又有什么關(guān)系呢？理論上講，鳥類眼睛后方的自由基會對地球磁場產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致電子離開其在化學(xué)指南針中的原有位置，啟動一系列化學(xué)反應(yīng)，生成某種特殊的化學(xué)物質(zhì)。只要鳥沿著相同的方向飛，這種化學(xué)物質(zhì)就會不斷聚集。

因此，這種化學(xué)物質(zhì)的含量就是信息的來源，在鳥類神經(jīng)細(xì)胞中產(chǎn)生信號。作為環(huán)境線索的一部分，這一信息將告訴鳥它是在飛往西伯利亞還是摩洛哥。

對無線電波的觀察十分重要，因為能夠干涉電子自旋的因素，至少從理論上講也會干擾化學(xué)指南針。有時候，研究某種東西為什么失效，和研究某種東西為什么有效同樣有用。

即使如此，量子指南針也只停留在想法上，還沒有在自然界中找到。目前，霍爾專注于利用理論上講應(yīng)該受無線電波影響的分子來確定量子指南針的工作原理。

“我們用模式分子做了實驗，以確定化學(xué)指南針的形成原理?！被魻栒f，“這些實驗幫助鎖定了一些看上去適合檢測磁場的分子，但是我們不清楚這些分子在鳥類體細(xì)胞中的作用是不是完全相同。”

霍爾認(rèn)為，磁場指南針只是鳥類復(fù)雜的導(dǎo)航系統(tǒng)中的一部分，用來解釋指南針工作方式的量子理論或許是目前的最佳答案。但要把鳥類行為模式和理論化學(xué)聯(lián)系起來，還有大量工作要做。

我們的鼻子到底怎樣分辨紛繁復(fù)雜、形態(tài)各異的氣味分子？

有一個研究領(lǐng)域似乎更接近量子生物學(xué)的現(xiàn)實：嗅覺的科學(xué)。

我們的鼻子到底怎樣分辨紛繁復(fù)雜、形態(tài)各異的氣味分子，對傳統(tǒng)嗅覺理論來說仍然是巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)一個氣味分子飄入鼻孔，沒有人確切知道后面會發(fā)生什么。這個分子通過某種不明確的方式與鼻腔內(nèi)皮膚上的感受器——也就是分子受體——進(jìn)行了反應(yīng)。

受過良好訓(xùn)練的人類的嗅覺可以分辨數(shù)千種不同的氣味。但是這些氣味信息是怎樣攜帶在氣味分子的形態(tài)上的，仍然是一個謎。許多分子的外形幾乎完全相同，只不過改變了一兩個原子，就可以擁有非常不同的氣味。香草醛聞起來是香草味，而分子形狀與其極為相似的丁香油酚聞起來卻是丁香味。有些分子互為鏡像（就像左右手），也具有不同的氣味。但更令人奇怪的是，一些形狀差異很大的分子聞起來幾乎完全一樣。

盧卡·圖林是希臘亞歷山大·弗萊明生物醫(yī)學(xué)研究所的化學(xué)家，他正致力破解分子編碼氣味的特性?！靶嵊X本質(zhì)的獨特之處在于，我們分析氣味分子和原子的能力，與目前已知的分子識別機制不一致?！彼f，“分子形狀不是決定氣味的唯一因素，分子中化學(xué)鍵的量子特性才提供了關(guān)鍵信息?！?/p>

根據(jù)圖林的嗅覺量子理論，當(dāng)氣味分子進(jìn)入鼻腔與受體結(jié)合時，會導(dǎo)致受體產(chǎn)生一種叫作“量子隧穿”的過程。

量子隧穿效應(yīng)產(chǎn)生時，電子可以從材料的A點跳躍到B點，就好像繞過了兩點之間的所有區(qū)域。與鳥類的量子指南針類似，關(guān)鍵因素在于共振。圖林說，氣味分子中的某個特別的化學(xué)鍵可以與相匹配的能量共振，幫助電子從受體分子的一端跳躍到另一端。

當(dāng)電子跳躍到受體的另一個位點時，可以觸發(fā)一系列反應(yīng)，最終使大腦接收到受體接觸到了某種特別分子的信號。圖林說，這就是分子具有特定氣味的關(guān)鍵，而這一過程從本質(zhì)上講是量子的。

“嗅覺需要一種有關(guān)分子實際化學(xué)成分的機制，”他說，“正因為這一點，量子隧穿是非常自然的解釋。”

這一理論有一個強有力的證據(jù)。圖林發(fā)現(xiàn)，即便是兩個形狀差異很大的分子，如果它們包含能量相似的化學(xué)鍵，聞起來就可能是一樣的。

比如硼烷。這種非常罕見且難以獲得的化合物聞起來就像硫黃，但是，硼烷跟硫的化學(xué)差異非常大，實際上兩者沒有任何聯(lián)系。它們之間唯一的共性就是振動頻率。而在自然界中，也只有這兩種物質(zhì)聞起來是一樣的。

雖然這個發(fā)現(xiàn)對嗅覺量子理論來說是巨大的成功，但仍然不是最終的證據(jù)，圖林希望能夠捕捉到受體正在利用量子現(xiàn)象的瞬間。他說他們已經(jīng)“非常接近”成功了?！拔也幌胝f出來壞了運氣，但是我們正在朝這方面努力?！彼f，“我們找到了一種實驗方法，所以在將來幾個月里我們一定會試一試。我認(rèn)為推進(jìn)這項研究的關(guān)鍵就在這里了?！?/p>

不管自然界是不是已經(jīng)搶先一步， 都有必要把生物學(xué)和量子物理學(xué)結(jié)合起來發(fā)展新技術(shù)。

無論自然界是不是真的進(jìn)化出了可以利用量子現(xiàn)象幫助生物體將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、辨別方向，或者區(qū)分香草和丁香的氣味的功能結(jié)構(gòu)，原子世界的奇怪特性仍然可以向我們揭示很多活細(xì)胞的精細(xì)功能。

“還有第二種觀察量子力學(xué)和生物學(xué)相互作用的方法，那就是利用傳感和探測?！焙諣柤颜f，“量子探針可以闡明生物系統(tǒng)動力學(xué)中很多有趣的事情。不管自然界是不是已經(jīng)搶先一步，都有必要把生物學(xué)和量子物理學(xué)結(jié)合起來發(fā)展新技術(shù)。例如，在生物性光伏電池中使用量子效應(yīng)，可以極大地提高太陽能電池板的效率。當(dāng)前，有機光伏領(lǐng)域進(jìn)行著大量活動，探索怎樣通過自然或者人工結(jié)構(gòu)利用量子效應(yīng)來提高效率。”

現(xiàn)在，即使研究領(lǐng)域針對這些頑固的生物學(xué)難題提出了完全未知的新觀點，使得量子理論只能退居其次，但生物學(xué)家和量子物理學(xué)家仍然能夠進(jìn)一步交流?！斑@個合作故事一定會有一個圓滿的結(jié)局?！焙諣柤颜f。