生物體內的怪異力學：被人類忽視的微觀世界

如果世界上有一樣東西是最能夠體現“科學難以理解”這一觀點的話，那麼量子力學一定是當仁不讓的。科學研究顯示在微觀的量子世界裡，物質的行為方式非常怪異，在我們熟悉的這個宏觀世界看來幾乎是不可能的，比如一個粒子可以同時存在於兩個不同的位置，也可以瞬間消失或者憑空出現。

好在令人欣慰的是這種怪異的量子物理效應在我們所生活的宏觀世界中造成的影響是非常有限的。我們所熟悉的世界仍然是那個被“經典”物理學支配著的世界——或者至少這是科學家們一直以來所認為的——直到數年之前。

光合作用中的量子效應

▲粗看起來，光合作用似乎進行起來非常容易

現在，我們的這個信心來源正在逐漸崩塌。量子效應距離我們的生活或許並不像我們之前所認為的那樣遙遠。相反，它們或許就存在於很多我們所熟悉的生活現象與過程之中，從光合作用到發電廠，再到鳥類的遷徙行為，甚至我們的嗅覺可能也與量子物理學有關。

事實上，量子效應是大自然的基本工具之一，它確保生命體能夠更好地運作，也讓我們的身體成為一個運作更為流暢的系統。

比如，從表面上看，光合作用是一個非常簡單的過程。植物、綠色藻類和某些種類的細菌能夠藉助太陽光和二氧化碳產生能量，合成有機物。而讓生物學家們感到困惑的地方就在於：這整個過程看上去有點太過容易了。

光合作用中有一個環節尤其讓科學家們感到困惑不解：一個光子——你可以理解為一顆組成光線的粒子，在宇宙中穿行數十億年之後，與你家窗外的某一片葉子裡的一個電子相遇了。對於這個幸運的電子來說，接觸到光子讓它獲得了能量並開始到處運動。它穿過葉片細胞內的一個很小的區域，並將其多出來的能量傳遞給一種特殊的分子，後者扮演了一種類似能量流的角色，將“燃料”輸送到植物機體的各處。

▲光合作用的背後很有可能隱藏著量子效應的作用

這裡的問題在於：這個小小的能量輸送系統運作地太好了。經典物理學認為受到激發的電子應該在受激發後在負責光合作用的細胞內到處運動一段時間，隨後才有可能從另一端出來從而完成能量的傳遞過程。但在現實中，電子穿過整個細胞所用的時間要遠小於理論值。

這還沒完，受到激發的電子在這整個過程中間幾乎不會損失任何能量。這在經典物理學觀點看來是難以現象的是一件事，因為在胡亂穿過細胞內部的過程中，由於與細胞內壁等區域的碰撞，電子應該會損失一部分能量，但實際上這樣的情況並未發生。整個過程太過迅速，也太完美太順暢太高效了——總之，這過程太完美了，幾乎不像是真實的。

然後在2007年時，研究光合作用過程的科學家們開始在這一問題上取得進展。科學家們在光合作用相關的細胞內部觀察到量子效應起作用的證據。對電子行為的觀察開啟了相關研究進展的大門，科學家們意識到，量子效應可能在生物學過程中扮演著重要的角色。

這可能是關於受激發電子為何能夠如此高效地通過光合作用細胞的部分答案。量子力學的一項詭異特性便是它允許粒子在同一時間存在於多個不同的位置，這種特性被稱為“量子疊加”。利用這一特性，一個粒子就能夠在極短的時間內同時探尋細胞內部多個不同地點，而不必“先後”探尋這些地點，這種方式讓粒子能夠幾乎在瞬間找到最近的通過路徑，從而極大地壓縮了通過時間，並最大限度減少了與細胞內部結構碰撞的機率。

量子力學能夠解釋為何光合作用的效率如此之高，這一點讓生物學家們感到意外。德國烏爾姆大學的量子物理學家蘇珊娜·海爾加（Susana Huelga）表示：“我想這時候人們將開始意識到，某種令人興奮的事件正在發生。”

▲量子力學原理能夠解釋光合作用的高效率嗎？

類似量子疊加這樣的量子理學現象此前都是在高度受控的環境下被觀察到的。一般情況下，開展量子現象觀測時科學家們需要將實驗環境溫度降低到極端低溫，從而極大地抑制細胞的無關活動，以防止後者干擾到對量子行為效應的觀察。但即便是在這樣的極端低溫條件下，物質還必須被置於真空環境之中才能被觀察，而且前提還得是科學家們所使用的觀測設備必須是極其精確的，因為量子效應太過微弱，極難進行觀測。

而那些潮溼、溫暖、生機勃勃的細胞環境則很顯然是人們最不會和量子效應相互聯繫起來的地方。然而，海爾加說：“但即便是在這裡，量子效應仍然存在。”

當然，僅僅發現細胞內部存在量子效應這一事實本身並不能說明這一效應在細胞生命現象中能夠發揮何種作用。有一些理論認為量子疊加效應在植物光合作用中起到了關鍵作用，但海爾加指出，這一效應與實際的生物學功能之間如何建立起清晰的聯繫，目前仍然缺乏相關研究。他說：“下一步要做的就是開展一些定量分析研究，以證明這一生物學過程中表現出來的高效率的確是與量子效應的作用相關聯。”

鳥類遷徙機制中的量子效應

更進一步，量子效應在生物學中的作用很有可能還並不僅僅侷限在植物的光合作用機制之中。科學界從19世紀起便一直感到困惑的另外一個謎團很有可能同樣與此有關，那就是：遷徙的鳥類如何知道飛行的路徑？

候鳥的遷徙往往要飛行上千公里的遙遠距離，像知更鳥常常會飛往南歐或北非地區以躲開嚴寒的冬季。像這樣飛越陌生的地域上空長途遷徙是非常危險的，如果沒有可靠的導航，這樣的旅程幾乎將是不可能完成的任務。一隻從波蘭出發的知更鳥，如果在方向感上出現了差錯，那麼它可能會飛到更加寒冷的西伯利亞去，而不是溫暖的北非摩洛哥。

▲知更鳥是如何知道飛行的方向的？

關於這些鳥類體內可能存在某種生物學導航器官的理論很難站得住腳。如果在知更鳥的大腦或者眼睛內部深處真的存在一些極其細微的針狀磁鐵，以便探測地球的磁場實現導航，那麼在現代如此發達的科技面前，這類器官應該早就已經被檢測到了。然而事實並非如此，科學家們至今並未在知更鳥的體內檢測到任何可能承擔這項艱鉅導航功能的器官或組織。

另外一項與此有關的理論是在上世紀1970年代提出來的，科學家們設想，或許鳥類擁有某種基於量子效應的化學導航器，能夠幫助鳥類指示北方。

皮特·霍爾（Peter Hore）是英國牛津大學的一名化學家，他表示這種化學導航器的運作將需要涉及激發態的單電子，以及被稱作“自旋”的量子效應。

分子內部的電子一般都是成對的，它們的自旋方向相反，正好可以互相抵消，因而對外部環境不敏感。而一個單電子則自顧自地旋轉，這種旋轉效應無法被抵消。這就意味著它將會與周圍環境之間發生相互作用——比如說地球磁場。

▲量子效應與地球磁場間的相互作用可能構成了知更鳥的導航器

霍爾指出，實驗已經證明，當知更鳥被暴露於某種特定頻率的無線電波（電磁波的一種）環境下時，它們會暫時性地喪失方位感。如果某種無線電波的頻率剛好與電子自旋的頻率一致，這將引起電子的共振效應，從而使電子的震動更加明顯。

但這與鳥類使用化學導航器之間有什麼關係呢？有的。科學家們認為鳥類眼睛後方器官內就存在這樣一些自由電子，其會對地球磁場發生感應。地球磁場的作用會使電子離開其原本在化學導航器中的位置並開始一系列的反應過程，產生某種特定的化學物質。只要鳥類持續沿著同一方向飛行而沒有偏航，這一化學物質的含量就會持續提升。

因此，對於鳥類的身體而言，只需要檢測體內這種化學物質的含量就能夠獲取有關方向正確與否，有否出現偏航的信息。這些信息會被釋放，並激發鳥類神經系統做出相應反應，鳥類將會知道自己究竟是在朝著摩洛哥還是西伯利亞方向飛行。

無線電波實驗具有重要意義，因為我們現在能夠大致預期，任何東西，只要能夠與自由電子自旋之間發生相互干擾，應該就能，至少能夠部分地影響鳥類化學導航器的工作。這樣一來，我們也就能夠解釋有些時候有些鳥類突然無法正確分辨方向的現象。

但即便如此，這一理論到目前為止也仍然僅僅是理論，人們還遠未能瞭解其本質。霍爾一直在運用各種理論上能夠承擔這項工作的分子類型開展相關實驗，希望能夠揭開鳥類量子化學導航器的祕密。

▲這種化學導航器將能夠告訴鳥類，它的飛行方向是否正確

霍爾表示：“我們已經利用一些化合物開展了一些實驗，以便證明化學導航器在原理上是可能的。”這些工作目前已經讓他們圈定了一些候選的分子類型，這些分子類型似乎有可能對地球磁場探測產生作用。霍爾說：“我們目前無法確定的一點是，是否在鳥類的細胞內部發生的反應是與實驗室中完全一樣。”

霍爾表示，磁場導航的理論還只不過是鳥類複雜而研究甚少的導航系統中的一小部分。運用量子理論解釋這種導航機制是目前效果最佳的嘗試，但要想真正將鳥類的行為模式與理論化學原理相聯繫，仍然需要做很多工作。

我們嗅覺背後的量子效應

還有一個領域很有可能有望幫助科學家們揭開量子生物學的奧祕，那就是氣味的科學。

我們的鼻子是如何能夠區分不同氣味的？傳統的嗅覺理論難以解釋我們的鼻子如何能夠辨別各種不同的氣味大分子——當一些氣味分子進入我們的鼻腔，現在科學界仍然不清楚之後究竟發生了什麼。但不知怎的，這些分子與我們鼻腔內部的一些氣味感受器之間發生了相互作用，並讓我們能夠識別這些氣味。

▲為什麼我們能夠嗅到氣味？

一位經過訓練的專業人士能夠分辨數千種不同的氣味。但氣味分子是如何表達不同氣味的，這一點目前仍然不太清楚。有很多分子在外觀上幾乎是完全一樣的，只是在周圍多了一個或兩個原子，結果它們卻能夠表現出完全不同的氣味。香草素聞起來有香草的味道，但與之結構非常相似的丁香油酚聞上去卻是一股丁香的味道。有些分子的結構相互之間互為鏡像，就像你的左右手那樣，同樣表現出不同的氣味。但同樣的，有些結構非常不同的分子聞上去的氣味卻幾乎完全一樣。

盧卡·圖靈（Luca Turin）是希臘BSRC亞歷山大·弗萊明研究院的一名化學家，他長期致力於研究分子的何種性質決定其所表現出的氣味的相關課題。他說：“在嗅覺科學深處有某些非常非常特別的東西，簡單來說就是，我們不知怎的能夠分析不同分子和原子的能力，與我們自認為知曉的分子識別模式不相符合。”他認為，光憑分子結構這一點還無法確定其表現出來的氣味，與此相反，他認為可能是分子內部的一些化學鍵的性質能夠提供有關其氣味類型的關鍵信息。

根據圖靈關於氣味和嗅覺的量子理論，當一個氣味分子進入人的鼻腔並與一個氣味接收器相結合，在接收器內部就會發生一種所謂的“量子隧穿效應”。

在量子隧穿效應中，一個電子可以穿過材料，從A點抵達B點，在此過程中它似乎能夠繞開中間的材料而不受阻擋。和鳥類的的量子導航器相似，其中的關鍵環節在於共振現象。圖靈認為，在氣味分子中的某個特定化學鍵能夠在特定能量作用下發生共振，從而幫助在接收器分子一側的電子迅速移動到另一側。只有當氣味分子中的化學鍵在合適的能級狀態下發生共振現象時，這樣的隧穿效應才能發生。

當接收器內部電子遷移發生時，將會同時引發一系列的連鎖反應，在此過程中將產生一個信號，告訴大腦鼻腔內的氣味接收器接觸到了某種特定種類的氣味分子。圖靈認為，這一過程對於我們的嗅覺至關重要，而這一過程從本質上來講是基於量子效應的。他說：“嗅覺的發生需要牽扯到氣味分子的化學組成。而嗅覺過程的解釋能夠在量子隧穿效應中得到很好的解釋。”

▲硼烷聞上去的味道和臭雞蛋很像

關於圖靈的這一理論，迄今最強有力的證據來自一項發現，即有兩種在結構上極為不同的分子，只要它們擁有相似能級性質的化學鍵，那麼它們所表現出來的味道就會非常相近。

圖靈預測，一種名為“硼烷”的較為罕見的化學物質，其氣味應該會和硫磺相似，或者說聞起來應該會有某種類似臭雞蛋的味道。圖靈此前還從未接觸過這種物質，因此這種預言看起來更像是一種賭博。

但他的預測是正確的。圖靈說，這對他而言就像一根鏈條，將兩者聯繫在了一起。他說：“硼烷的化學結構與硫磺完全不同，它們兩者之間的唯一共同點就是它們都擁有相近的共振頻率。實際上，它們也是自然界中目前已知唯一兩種聞上去是硫磺味道的化學物質。”

儘管對於該理論而言，這項預測本身是巨大的成功，但還不能算是最終的證明。在理想情況下，圖靈希望能夠完全理解鼻腔內接收器如何通過量子效應辨別不同氣味分子的具體機制。他表示，目前科學家們已經非常接近於開展相關實驗了。他說：“我並不想說喪氣話，但我們的確正在開展相關工作。我想我們會有辦法做下去的，或許我們在接下來幾個月裡就會取得進展。”

但不管大自然是否真的會藉助量子效應幫助生命體從陽光中汲取能量，分辨南北方向，或是區分不同的味道，原子世界的奇異特性仍將告訴我們許多有關細胞內部精妙結構的信息。