鳥類也“懂”量子力學

文/王昱

圖/東方IC

任何學科都有它自己的適用范圍，但它和人們固有印象中的范圍并不一定一致，并且學科的適用范圍可能隨著時代的發展而產生改變。所以，聽到量子生物學時，其不可思議程度，甚至會讓有些人懷疑這是某些人編出來的學科。但它的確是當前生物學的一個研究方向，甚至現在發現了越來越多生物體內存在量子效應的證據。

早在1944年，薛定諤在他的著作《生命是什么》中就曾設想過將量子力學機制應用到生物學上，用于研究遺傳系統。但半個多世紀以來，相關領域始終沒有什么顯著進展。直到近20年，越來越多出現在生物學中的量子效應，讓量子生物學成為了一個嚴肅的科研方向。

科學家已經找到了一些生物學中的量子效應，比如某些酶催化反應中涉及量子隧穿。除了這種生物學基本反應，量子力學同樣可能出現在更直觀的例子中，比如光合作用中涉及的波粒二象性，以及鳥類遷徙時的導航，可能依靠基于自由基對中糾纏電子自旋狀態的化學反應。

雖然我們無法感知量子效應，但人類細胞也可以對磁場作出響應。近日，東京大學的科學家發現：由于量子效應，海拉細胞內的熒光能對磁場作出反應，這項發現為“鳥類導航時用量子效應識別磁場”的假說提供了新的直接證據。由此，我們不得不考慮量子生物學的更廣

從生物導航到量子力學

包括鳥類、海龜、魚類在內的多種動物都會進行遷徙。對這些動物而言，地磁場是長距離遷徙過程中的可靠參照物。不過地磁場的變化非常微弱，在南北方向平均只有每千米3納特斯拉（nT）的變化，東西方向更是要少得多。同時，地磁場很容易受到各種因素造成的30 ～100 nT 的干擾。

很難想象鳥類這種快速移動的生物，是如何用這樣的地磁場實現10~30千米精度的導航的。至少它們需要對磁場有十分準確的感應。2018年，《自然》雜志刊登了一篇關于遷徙動物長距離導航和磁感的綜述，其中總結了3種可能的磁感產生方式，分別為電磁感應、基于磁性粒子的磁感受和基于自由基對的磁感受。其中，基于自由基對的磁感受與量子力學緊密相關。

隱花色素是一種在鳥類視網膜中發現的蛋白質，在20世紀90年代時就引起過科學家的注意。在光熱等外界條件下，隱花色素共價鍵發生均裂，形成的具有不成對電子的原子或基團，就是自由基。根據泡利不相容原理，形成共價鍵的兩個電子自旋必須相反。當自由基成對產生時，它們的自旋狀態被認為保持糾纏狀態，互相關聯。而磁場的出現會讓原本處于簡并的能級分裂，產生三重態，改變能級，從而影響一些化學反應。根據上述假說，這些化學反應產生的影響傳入鳥類大腦后，經過處理，

改變的熒光

但這只是一種理論，需要更多的實驗驗證。

例如，在2004年發表的一項研究中，研究小組將知更鳥暴露于以模型預測的頻率和角度振蕩的磁場中，這破壞了自由基對對地磁場的敏感性，進而破壞了鳥類的導航能力。

2018年，對隱花色素Cry4的分子特性和表達模式的兩項研究表明，該蛋白可能是斑馬雀科和歐洲知更鳥的磁感受器候選體。

而在一項發表于《美國科學院院刊》的近期研究中，東京大學的科學家首次直接觀察到這個假設中的反應——并且不是在鳥類細胞中，而是人類細胞中。關鍵的隱花色素并不僅僅存在于鳥類視網膜中，它在多種生物的多類細胞中都有發現，被認為和晝夜節律的調節有關。雖然人類無法感受磁場，但人類細胞中同樣含有隱花色素，并且人類細胞中的自體熒光也會受到磁場影響。

論文作者喬納森·伍德沃德說：“我們沒有向這些細胞中添加或移除任何東西。我們認為這是一個非常有力的證據，表明我們已經觀測到了影響細胞水平化學活性的純量子力學過程。”

科學家將海拉細胞（是一種具有無限增殖能力的細胞。在醫學界，海拉細胞被廣泛應用于腫瘤研究、生物實驗或者細胞培養，已經成為醫學研究中非常重要的工具）放置于藍光環境中，細胞會發出微弱的熒光。這是由于隱花色素吸收了光子之后進入高能態，內部發生電子轉移產生自由基對。自由基對在重新組合時，放出光子，就形成了熒光。

而整個過程中，由于自由基對內部的電子保持糾纏狀態，因此可以將其看作一個受磁場影響的整體。能級會受磁場影響而發生分裂，從單態變為三重態，自由基對產生的速率也就因此下降。在實驗中的表現，就是細胞的熒光變暗。

實驗向海拉細胞施加變化的磁場，實驗發現在±25毫特斯拉（mT）的磁場的影響下，細胞熒光相比沒有磁場時平均會減弱1%～2.5%。或許在人類大多數體細胞中，這些熒光難以被察覺，但是如果處于視覺敏銳的鳥類的視網膜中，就有可能讓它對磁場的變化作出反應。

伍德沃德說：“這項研究的有趣之處在于，兩個電子的自旋之間的關系可能會對生物學產生巨大的影響。”

鬼魅的量子與生物的行為之間都能產生聯系，足以讓我們懷疑生物學還有一些方面是由基礎物理深處的怪異現象引起的。縱使有些違背直覺，但多學科深度融合繼續發展的腳步不會停止。（據《環球科學》）■