鳥類也“懂”量子力學

王昱

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(fā)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(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了越來越多生物體內存在量子效應的證據(jù)。

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(tǒng)。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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(fā)現(xiàn)：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(fā)現(xiàn)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(jù)。由此，我們不得不考慮量子生物學的更廣泛應用。

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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(jù)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(tài)被認為保持糾纏狀態(tài)，互相關聯(lián)。而磁場的出現(xiàn)會讓原本處于簡并的能級分裂，產生三重態(tài)，改變能級，從而影響一些化學反應。根據(jù)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，鳥類就能對磁場作出反應，從而進行導航。

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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)，被認為和晝夜節(jié)律的調節(jié)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(jù)，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?！?/p>

科學家將海拉細胞（是一種具有無限增殖能力的細胞。在醫(yī)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(yǎng)，已經成為醫(yī)學研究中非常重要的工具）放置于藍光環(huán)境中，細胞會發(fā)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(tài)，內部發(fā)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(tài)，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(fā)生分裂，從單態(tài)變?yōu)槿貞B(tài)，自由基對產生的速率也就因此下降。在實驗中的表現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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%?；蛟S在人類大多數(shù)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?！?/p>

鬼魅的量子與生物的行為之間都能產生聯(lián)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(xiàn)象引起的。縱使有些違背直覺，但多學科深度融合繼續(xù)發(fā)展的腳步不會停止。（據(jù)《環(huán)球科學》）