統(tǒng)治生命的量子理論

■高鵬

人們往往認(rèn)為量子物理學(xué)那些希奇古怪的規(guī)則僅限于微觀世界，但現(xiàn)在，科學(xué)家懷疑它們可能在生命生物學(xué)中發(fā)揮著重要作用。越來(lái)越多的證據(jù)表明，量子力學(xué)參與到了廣泛的生物過(guò)程中，包括光合作用、鳥(niǎo)類(lèi)遷徙，甚至是生命起源。

這些理論和其他一些玄妙的論題，正是作為世界科學(xué)節(jié)第五次年會(huì)的一部分，于2012年6月1日在紐約市立大學(xué)亨特學(xué)院凱伊劇場(chǎng)舉行的一次分組座談的主題。

“生命由原子造就，而原子是按照量子機(jī)制行事的。”亞利桑納州立大學(xué)宇宙學(xué)家保羅·戴維斯說(shuō)，“生命已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了（在這個(gè)星球上至少35億年），有充足的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)一些量子的‘把戲’，如果這樣做能夠賦予它優(yōu)勢(shì)的話(huà)。”

鳥(niǎo)的大腦

有一個(gè)領(lǐng)域的線(xiàn)索暗示著生命與量子力學(xué)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，那就是鳥(niǎo)類(lèi)和其他遷徙動(dòng)物所擁有的體內(nèi)指南針。許多鳥(niǎo)類(lèi)每年遷徙數(shù)千千米，返回的不僅僅是與去年相同的地區(qū)，而且絕對(duì)是同一個(gè)繁育點(diǎn)。

長(zhǎng)久以來(lái)，讓科學(xué)家一直困惑不解的是，鳥(niǎo)類(lèi)是如何獲得如此精準(zhǔn)的導(dǎo)航技巧的，于是科學(xué)家假設(shè)鳥(niǎo)類(lèi)擁有某種基于地球磁場(chǎng)以感知方向的能力。“我們清楚地看到，它們可以檢測(cè)到磁場(chǎng)，”美國(guó)加州大學(xué)歐文分校的生物物理學(xué)家托斯頓·麗思說(shuō)，“而我們卻不能說(shuō)‘這是磁性器官’。”

現(xiàn)在，越來(lái)越多的證據(jù)表明，鳥(niǎo)類(lèi)可能依賴(lài)的是量子糾纏，因此，如果有個(gè)動(dòng)作作用于一個(gè)粒子，其他粒子也會(huì)感受到作用的影響。科學(xué)家認(rèn)為，這一過(guò)程因鳥(niǎo)類(lèi)眼細(xì)胞中一種叫做隱花色素的蛋白質(zhì)而成為可能。當(dāng)綠光傳入鳥(niǎo)的眼睛，擊中隱花色素，而使得糾纏電子對(duì)中的一個(gè)電子能量提高，從配對(duì)中脫離。該電子在其新的位置，所遭遇的地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度略有不同，這將改變電子的自旋。鳥(niǎo)類(lèi)可利用此信息建立起一幅地球磁場(chǎng)的內(nèi)部地圖，以計(jì)算它們所處的位置與方向。

該理論從一個(gè)最近進(jìn)行的果蠅實(shí)驗(yàn)中得到了支持，而果蠅也有隱花色素。當(dāng)將此感光蛋白質(zhì)從果蠅中提取走之后，它們因失去磁場(chǎng)敏感性而神經(jīng)錯(cuò)亂。

嗅探氣味

量子力學(xué)可以解決的另一個(gè)實(shí)例是嗅覺(jué)。起初，生物學(xué)家認(rèn)為，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的模型他們就可以理解氣味的形成：氣味分子飄入鼻子，鼻子中的受體分子與這些氣味分子相結(jié)合，并根據(jù)其特定的形狀來(lái)確定它們。

科學(xué)家說(shuō)，量子力學(xué)的奇妙規(guī)則，也許在實(shí)際上使得許多的生命基本過(guò)程成為可能

但后來(lái)科學(xué)家意識(shí)到，某些具有相同形狀的氣味分子，僅僅因?yàn)橐欢↑c(diǎn)兒的化學(xué)變化，如某個(gè)氫原子被其較重的同位素氘原子所取代，卻具有完全不同的氣味。雖然此舉影響了分子的重量，但并不改變其形狀，因此該分子仍會(huì)以完全相同的方式與受體分子結(jié)合。那么，嗅覺(jué)系統(tǒng)是如何感知這種差異的呢？答案可能就在于，量子粒子具有表現(xiàn)的像波一樣的能力。

“該理論就是，即使分子的形狀是一樣的，但因?yàn)樗兄⑿〉牟顒e，所以其振動(dòng)的模式不同，”勞埃德說(shuō)，“這種像波一樣的性質(zhì)，是一種純粹的量子才具有的效應(yīng)，但不知何故受體就是能夠感受到這種振動(dòng)的差別。”

缺失的一環(huán)

物理學(xué)家正在越來(lái)越多地探索生物學(xué)未解之謎，希望量子力學(xué)可以提供這些謎題中缺失的一環(huán)。他們甚至希望，它可以闡明在所有生物學(xué)中都是最棘手的問(wèn)題之一——生命是如何開(kāi)始的。“我們想知道‘非生命是如何轉(zhuǎn)變?yōu)樯摹贝骶S斯說(shuō)，“生命很顯然是物質(zhì)的一種獨(dú)特的狀態(tài)。我們想知道的是，是否這種獨(dú)特性在根本上就是量子力學(xué)的獨(dú)特性。”

但在物理學(xué)家興奮地嘗試用量子鑰匙去打開(kāi)生物學(xué)之鎖時(shí)，另一些科學(xué)家卻在警告他們的手伸得太遠(yuǎn)了。

“量子力學(xué)奇妙而又神秘，”勞埃德說(shuō)，“生命的起源也是奇妙而又神秘的。但這并不意味著它們是一回事。我認(rèn)為當(dāng)一個(gè)人說(shuō)所有奇妙而又神秘的東西都有相同的起源時(shí)，應(yīng)當(dāng)出言謹(jǐn)慎。”