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量子力学描述的是一个古怪的世界:粒子可以同时出现在两个地方，或两个粒子彼此相距很远都存在着某种联系。多年来，生物学家小心翼翼地把量子力学引入到生物学领域，发现量子力学可以解释一些令人惊奇的生命现象。 每年秋天，成千上万只知更鸟为了躲避北欧的严冬，开始向南迁徙，飞往温暖的地中海沿岸。那么知更鸟是如何在这3000多千米的迁徙路途中找到方向而不迷失呢？与其他的物种不同，候鸟、海洋动物，甚至一些昆虫，它们不依靠于地标、洋流、太阳位置或星空等来找到方向。相反，它们利用的是地球磁场来导航。具体地说，它们能够检测到地球磁场方向的细微变化。这是一个十分了不起的本领，因为地球磁场的强度要比一个冰箱门上磁铁的强度要弱100多倍。另外，知更鸟本领更大，通过一个被爱因斯坦称为“鬼魅般的”量子效应，它们可以直接“看到”地球的磁场。 过去几年里，科学家针对知更鸟和它的量子“第六感”的研究，已经发展出了一个新的研究领域。这个领域把生命科学与量子力学结合了起来。这就是量子生物学。 量子力学的生物问题 众所周知，量子力学描述的是世界在微观尺度下所发生的事情。这个微观尺度下的世界里充满了怪异的事情：一个粒子可以同时出现在多个地方，自己还可以像波一样传播出去，穿过一道密不透风的壁垒，甚至两个粒子彼此相距很远都存在着某种瞬时作用。 既然量子力学可以如此精确地描述微观粒子的行为，那么为什么我们以及我们周围的事物却不能像微观粒子那样可以同时出现在两个地方，或者穿过密不透风的壁垒，或者出现瞬时作用呢？毕竟我们以及我们周围的事物都是由原子构成的啊！一个很明显的不同是，量子力学只是用于单一的，或少量粒子组成的系统，而更大的系统是由数万亿个原子构成。不知怎么的，当系统更大时，量子的怪异特性就被抹掉了，最终日常的事物去遵守我们所熟悉的经典物理学。事实上，如果我们真的要想检测更大的对象的量子效应，我们得把它们的温度降到接近绝对零度，并把它们放在近乎完美的真空之中（典型的例子就是超导现象）。 基于上面的观点，量子效应应该也不会在温暖、潮湿和混乱的细胞里发挥作用，所以大多数生物学家直接就忽视了量子力学，继续根据传统的球棍模型分子结构来研究生命现象。同时，量子物理学家也一直不愿意冒险进入这个复杂的生物细胞世界，毕竟在可控的粒子物理实验室里，他们还是有机会了解事情是怎么一回事。 不过在70年前，获得过诺贝尔奖的奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在他的著作《生命是什么？》中阐述到，生物学的某些特性必然是基于量子力学的。这本书激发了那个时候的许多科学家，包括DNA双螺旋结构的发现者弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森。薛定谔提出生命与非生命有着一些独特的区别。他认为最重要的是，生命可以利用量子力学中一些古怪的效应来操控细胞内的运作。 近几十年来，随着对生命微观系统的研究不断取得新进展，生物学家发现，薛定谔太具有预见力了——一些最为基本的生命活动确实是依赖于量子力学的古怪效应。下面举三个最为典型的例子来说明。 生命活动中的量子效应 酶是生命最重要的组成部分，它们可以加速细胞中的化学反应。没有它们的话，细胞的活动过程可能会需要数千年的时间，所以说生命离不开酶。问题是，酶是如何加速细胞中的化学反应呢？这在过去一直困扰生物学家。最近几十年的实验显示，酶原来是利用量子隧道效应来加快化学反应的。从本质上讲，酶可以使得电子和质子从生物分子中的一个位置消失，直接跳过了两个位置之间的任何障碍，并立即在分子中的另一个位置出现。这就好像粒子挖了一个秘密隧道穿过去一样，所以称为量子隧道效应。生命离不开酶，而酶是利用量子隧道效应来发挥作用的，所以说，这种量子效应在生命活动中扮演了极为重要的角色。 另一个例子则与光合作用有关。光合作用是地球上最重要的生物化学反应，植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们能够利用光合作用把无机物转变为储存着能量的有机物，这是动物食物链的第一环。 植物的光合作用发生在叶绿体中。其中第一步是色素分子捕获阳光中的一股能量，然后这个光能会在这些色素分子中迅速传递，并抵达叶绿体的反应中心。在反应中心那里，光能会最终转变为化学能并存储在有机物分子中。光能在色素分子中传递非常快，在10-12秒到10-9秒内就完成了，而且能量传输效率极高，接近100%，高于任何人造的能量传输设备。另外，光能总是能快速地找到抵达反应中心的最快路线。 问题是这个路线是如何找到的呢？2007年，来自美国加州大学伯克利分校的科学家通过实验才发现，这背后其实是一种量子力学效应。光能并不是像一个粒子那样从一个一个色素分子跳过去，而是像波一样传播开来，根据量子力学，也可以说是光能可同时走各种路径，这样就会迅速找到最快的路径。 第三个例子则是我们在文章开始所介绍的——候鸟以及其他种类的动物可以用地球的磁场来进行导航。针对知更鸟的研究表明，它的内部有着一个化学“指南针”，是利用被称为量子纠缠的效应来发挥作用。量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”，它指的是两个离得很远的纠缠粒子也可以瞬时地彼此影响，与距离无关。目前科学家猜测，在知更鸟眼睛中的蛋白质里，一对互相纠缠的电子对地球磁场方向的变化十分敏感，这样会使得鸟能“看见”地球磁场并知道该向哪里飞。 那么在生命的活细胞里，有着数万亿粒子随机运动形成的湍流，量子效应是如何保留的呢？最近的研究表明，生命不是去避免分子的混乱运动，而是去拥抱它们。举个形象的例子，就像一艘船的船长利用湍流、风暴和暴雨来保持他的船直立并继续航行。 就像薛定谔预测的那样，生命是处在符合常识的宏观规律与怪异的量子规律之间的边界处。可以说上面这些发现，意味着量子生物学时代的到来。 |
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