量子生物學：試圖揭示自然界的奧秘

有沒有東西可以同時出現在兩個不同的地方？根據量子力學，的確有！更精確的說，量子疊加原理告訴我們一個粒子可以被描述為同時處於兩種不同的態。在量子世界中，還有其它令人費解的奇異現象，比如粒子可以像幽靈般穿過本無法通過的牆壁，即所謂的量子隧穿效應；再比如兩個處於量子糾纏的粒子可以不受距離的限制產生鬼魅般的超距作用。這些遠超出日常經驗所告訴我們的現象都已被實驗嚴格的證明。雖然量子世界奇妙無比，但毫無疑問，量子力學大大提升了我們對自然世界的認知。

現在，量子力學被應用於生物學上，並開始揭示一些長久以來困擾我們的迷思。現如今，量子生物學的蓬勃發展，為我們更深入的了解鳥類遷徙、光合作用、甚至是嗅覺背後的秘密提供了新的思路。

自1930年代以來，科學家就懷疑光合作用背後存在著量子現象。 2007年，加州大學伯克利分校（UC Berkerley）勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkerley Lab）的一個科研組第一次找到了相關證據。這一研究的第一作者 Greg Engel 是現在芝加哥大學的生物物理學家，也是量子生物學領域的領頭人。

光合作用與量子相干性

在光合作用中，植物通過色原體（含有發色團的有機化合物）細胞收集光子，然後釋放一種叫作激子（Exciton）的准粒子。激子能吸收能量，並將其運送到反應中心。在這裡，它們可以被轉化為可供植物代謝的化學能。整個過程發生在十億分之一秒以內，效率接近100％。這種超快的速度是減少能量損失的必要條件。但這種能量也可以熱的形式消散，這是目前缺失的一塊。

Engel 和同事發現激子具有疊加性質的優勢，他們將一種最古老的能進行光合作用的有機體之一——綠硫細菌（Chlorobium tepidum）用於實驗中，它們是最早進行光合作用的生命體之一。Engel 他們將細菌所處的溫度降至零下196oC，然後向細菌體發射短脈衝的脈衝激光。再用二維電子光譜儀來記錄脈衝，因為他們需要準確的知道能量是如何流經這些細菌的。

他們發現，激子不會以直線行進，而是像波一樣運動。由於量子相干性，激子可以像波一樣感受到所有可能的路徑，並採用最高效的那條路徑。這項研究的結果當年被發表在《自然》雜誌上[2]。

科學家利用量子疊加解釋光合作用。（圖片來源：Jon Sullivan）

在進行的其他幾項研究中，也有同樣的現象被觀測到，即光合作用通過量子相干而作用。如果我們可以效仿這樣的系統，便可以製造出超高效的太陽能電池板和更持久的電池。這樣就滿足到我們想要全面轉向綠色科技的一個關鍵前提。

許多科學家對於將量子力學應用到生物上感到緊張。畢竟，物理學家研究粒子時需要在嚴格控制的環境下進行。然而在潮濕混亂的生物世界裡，所有的事情一直在變化，這對於量子疊加來說是一個過於不穩定的環境。

鳥類遷徙與量子糾纏

再一個問題就是鳥的遷徙模式。我們知道鳥類通過一個能與地球磁場相互作用的內部化學羅盤進行導航。讓人疑問的是地球磁場是很微弱的，鳥類是如何將其運用起來的呢？

歐亞鴝。（圖片來源：Charles J. Sharp）

在《自然》雜誌發表的一篇研究報告中，牛津大學的研究人員通過研究歐亞鴝（俗稱知更鳥）來研究鳥類的化學導航系統。當寒冷天氣逼近時，歐亞鴝能穿越幾千公里從北歐飛到北非。他們發現，當陽光的光子擊中歐亞鴝的視網膜時，它會釋放出兩個不成對的電子，每個電子的自旋會根據磁場進行調整。換句話說，歐亞鴝就像可以「看見」地球磁場，從而準確知道如何從北遷徙到南。

2008年，牛津大學的物理學家 Simon Benjamin 用實驗證明這在化學上是可能的。他認為這是通過量子糾纏來實現的。除了鳥類，昆蟲和其他生物也能以這種方式定位自己。

嗅覺與量子隧穿

最後我們說到嗅覺。人類可以區分數千種不同的氣味。作為一種最古老也最獨特的感官之一，科學家卻仍在努力想要完全了解它的運作機制。我們知道的是分子從空氣中進入鼻孔，然後以某種形式與鼻內的受體作用。但是，究竟是如何做到將一種物質與另一種物質區分開來還不得而知。

來自希臘的BSRC亞歷山大·弗萊明研究所的化學家 Luca Turin 認為這個過程中還有其他的東西在起作用。首先，分子與鼻中的受體相互作用；然後，Turin 認為該分子中的一個電子會通過量子隧穿抵達受體的另一側。通過這個過程，大腦會收到一個信號，並得知這是什麼分子。Turin 說，「嗅覺需要一種以某種方式涉及分子的實際化學成分的機制。」因此，量子隧穿似乎是一種很合適的自然解釋。

在另一個實驗中，化學家發現硼烷和硫磺這兩個完全不同的分子聞起來一樣。雖然形狀不同，但讓它們的味道都像是腐爛的雞蛋，有可能是它們的化學鍵中存在類似的能量含量。但是，要證明嗅覺是一項發生在亞原子層面的反應還需進行更多的研究。

儘管如此，量子生物學領域已經開始收穫越來越多的重大突破了，這很可能為我們帶來技術創新，並進一步加深我們對地球上生命本質的理解。

文：Philip Perry / 譯：小綿泡

參考鏈接：

[1]http://bigthink.com/philip-perry/3-of-natures-greatest-mysteries-may-be-solved-thanks-to-quantum-biology

[2]https://www.nature.com/nature/journal/v446/n7137/abs/nature05678.html

[3]https://www.nature.com/nature/journal/v453/n7193/full/nature06834.html

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！