第三節(jié) 生命中的量子力學(xué)效應(yīng)

細(xì)菌中的量子現(xiàn)象

人們一般都不會把量子世界與生命世界聯(lián)系起來，不過很多研究證明，量子一直參與并左右著生命世界。從生命誕生的必然角度分析，生命一開始就是一個量子事件，生物體是個量子集合，人體有7x1027個原子組成，子中大部分的質(zhì)量都集中在原子核上，如果原子核假如是葡萄（20毫米）大小，那么整個原子的范圍應(yīng)該在200米左右。從微觀角度講，人體大部分空間正是電磁場。我們應(yīng)該更多從量子角度審視生命。

生命活動中量子效應(yīng)廣泛存在，從植物的光合作用到魚類，鳥兒對電磁方向的感知，包括人類的大腦活動，都有量子的參與。目前很多國家及科學(xué)家投入到量子在生命中如何參與的研究中。

通常來說，量子效應(yīng)通常只在分子，原子級別層級被觀察到，或者多分子在極端環(huán)境下比如高真空，超低溫和嚴(yán)格控制程序的實驗室中表現(xiàn)出量子效應(yīng)。而生命世界因為處于溫暖、潮濕、混亂的宏觀世界中而無法表現(xiàn)出量子性。但越來越多的實驗證明，量子現(xiàn)象恰恰是生命的主要活力機制所在與內(nèi)在的驅(qū)動力。比如有科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)量子“相干性”（在量子層級里，整個系統(tǒng)每個部分的波型保持一致）在細(xì)胞混亂的生命體內(nèi)，響應(yīng)時間不超過1微秒?，F(xiàn)在下面舉幾個例子：

近日，哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所的一群研究人員嘗試將一本大約有5.34萬個單詞的書籍編碼到不到一沙克（億萬分之一克）的DNA微芯片中，連同文字一起的還有11張圖片和一段Java程序。這是迄今為止人類使用DNA遺傳物質(zhì)儲存數(shù)據(jù)量最大的一次實驗，“今后，拇指大小的設(shè)備就能存下整個互聯(lián)網(wǎng)的信息”。該項目首席研究員、哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家喬治·丘奇（George Church）說。這項實驗被刊登在《科學(xué)》期刊上。

從二進(jìn)制到堿基對編碼DNA是生物數(shù)據(jù)庫，它的主要功能就是存儲包含各種指令的生物信息。DNA有G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）四種堿基，共同構(gòu)成了相互纏繞的雙鏈階梯狀的螺旋結(jié)構(gòu)。通過這四種堿基不同順序的編碼，存儲了生物所有的遺傳信息。1克DNA即能儲存上千億個千兆字節(jié)，相當(dāng)于1000億張DVD光盤的內(nèi)容。

細(xì)胞內(nèi)的酶可以在一秒鐘內(nèi)催化數(shù)百萬個反應(yīng)。有一些酶它們的催化產(chǎn)物動力學(xué)速率甚至高于分子擴(kuò)散速率，這種現(xiàn)象無法用目前公認(rèn)的理論來解釋。有多種理論模型被提出來解釋這類現(xiàn)象。一種理論模型引入了基于量子理論的穿隧效應(yīng)，即質(zhì)子或電子可以穿過激活能壘（就如同穿過隧道一般）。有報道發(fā)現(xiàn)色胺中質(zhì)子存在量子穿隧效應(yīng)，因此，有研究者相信在酶催化中也存在著穿隧效應(yīng)，可以直接穿過反應(yīng)能壘，而不是像傳統(tǒng)理論模型的方式通過降低能壘達(dá)到催化效果。

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員最近拍攝到電子在細(xì)胞蛋白質(zhì)中移動的分子圖像。電子在細(xì)胞內(nèi)移動產(chǎn)生的能量是生物體生存的基本能量來源之一，由此產(chǎn)生的能量被人體用來生成蛋白質(zhì)、脫氧核糖核酸等復(fù)雜分子。這些復(fù)雜分子是促進(jìn)生物體生長、維持生命和儲存能量的基石。伊恩·威爾莫特等人利用X射線晶體技術(shù)獲得的圖像將加深對這一過程的理解。

生物體在誕生及進(jìn)化過程中利用電流的歷史久遠(yuǎn)，微生物學(xué)家德里克·洛維利、物理學(xué)家馬克·托米勒在《自然·納米技術(shù)》發(fā)表文章指出，他們首次發(fā)現(xiàn)，硫還原泥土桿菌體內(nèi)的微生物納米線（菌絲網(wǎng)）能長距離地傳導(dǎo)電子。穿越這種桿菌生物膜的菌絲網(wǎng)由數(shù)十億個細(xì)胞內(nèi)聚而成，這些絲網(wǎng)讓其生物膜具有了與廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)的人造導(dǎo)電聚合物相媲美的導(dǎo)電性?？茖W(xué)家們稱，這是他們首次觀察到電荷沿著蛋白微絲傳導(dǎo)，以前科學(xué)家們認(rèn)為，這樣的傳導(dǎo)需要細(xì)胞色素蛋白質(zhì)的參與，細(xì)胞色素讓電子進(jìn)行短距離“旅行”。而最新研究表明，這種細(xì)菌的蛋白微絲就像真正的金屬導(dǎo)線一樣，即便沒有細(xì)胞色素，電子也能進(jìn)行“長途旅行”。

英國東英吉利亞大學(xué)和美國西北太平洋國家實驗室的科研人員，對一種生存在無氧環(huán)境中的沙雷菌進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能通過納米線將電子運送到體內(nèi)的氧化鐵（其對該細(xì)菌的作用就像氧氣對人一樣）。該報告主要作者東英吉利亞大學(xué)的克拉克說：“我們應(yīng)該可以利用這一發(fā)現(xiàn)，從細(xì)菌身上獲取更多電力，一切有生命的物體都會發(fā)電，人類就是利用電能來維持心臟跳動和大腦思考。沙雷菌會利用它們的導(dǎo)線來釋放過多的電力，如果它們出現(xiàn)電荷阻塞，一切就會停止”，而這包括進(jìn)食和呼吸?！?/p>

該研究說明在細(xì)菌領(lǐng)域，獲得能量的來源是多樣性的，而不僅僅是像人類一樣依靠氧氣，在后面例子中會有很多不依靠氧氣而生存的細(xì)菌。而這也恰恰說明量子在生物領(lǐng)域的重要作用。

以上表明，有機生命世界，有其強大內(nèi)在的量子規(guī)律，不為現(xiàn)代科學(xué)所知的強大的內(nèi)在量子物理規(guī)律在決定生命的規(guī)則。在物理學(xué)部分，我們講到多層聚合，聚合不僅僅是宇宙誕生的來源，也是銀河系，太陽系，分子誕生的來源?，F(xiàn)代科技也證明，分子級別的多層聚合，擁有很多神奇的效應(yīng)，從細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，到有機分子官能團(tuán)，從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，生物酶的結(jié)構(gòu)，再到碳的多分子結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)代試驗室的低溫分子的量子神奇效應(yīng)。而多層聚合也恰恰是從物質(zhì)的宇宙誕生到生命的意識誕生的貫穿，聚合也是生命形成的重要因素。

光在生物界的量子效應(yīng)

量子與生命的關(guān)系，最重要的體現(xiàn)在光與生命的聯(lián)系中，光合作用恰恰需要量子力學(xué)的幫助。研究人員一致認(rèn)為，光合作用的生物體內(nèi)表現(xiàn)著量子力學(xué)事件，比如電子等粒子表現(xiàn)出波一樣的行動。光子擊中一個天線分子，會激起一波一波帶能量的粒子——應(yīng)激子，就像石頭落入水中激起的波紋一樣。這些應(yīng)激子會從一個分子“旅行”到另一個分子，直到到達(dá)反應(yīng)中心，這種路徑是隨機的。很多科學(xué)家指出，這些應(yīng)激子可能是相關(guān)的，它們的波紋會延展到多個分子，然后同時，它們也會保持彼此同步并且互相加強。

2010年5月，美國科學(xué)家首次記錄并量化了光合作用中的量子糾纏。研究表明，在綠色植物中的光合作用中，量子糾纏是量子力學(xué)效應(yīng)的一種自然屬性，量子糾纏能夠在一個生物系統(tǒng)中存在并且持續(xù)一段時間。該論文發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

通過光合作用，綠色植物可以將太陽能接近100%的轉(zhuǎn)化。這么高效率的關(guān)鍵在于傳遞速度，而如何完成近乎瞬間的能量轉(zhuǎn)移仍然是個未解之謎。加州大學(xué)化學(xué)家格雷漢姆·弗萊明的研究團(tuán)隊曾在2009年的《物理化學(xué)年鑒》上指出，植物通過光合作用得到的量子力學(xué)效應(yīng)是一種關(guān)鍵能力，植物可以瞬時將捕光復(fù)合物分子中的光子能量傳輸給光電反應(yīng)中心的復(fù)合物分子，完成能量的轉(zhuǎn)移。包括弗萊明在內(nèi)的研究小組確定，在光合作用中，綠色植物中的量子糾纏是量子力學(xué)效應(yīng)的一種自然屬性。原來科學(xué)家認(rèn)為，量子糾纏是一種非常脆弱的狀態(tài)，很難獲得并持續(xù)，而現(xiàn)在證明，量子糾纏可以在一個生物系統(tǒng)中存在而且還能持續(xù)一段時間。

研究人員在大量FMO復(fù)合物（FMO是綠硫細(xì)菌的一個分子聚合物）中發(fā)現(xiàn)，量子糾纏能持續(xù)時間一般為幾皮秒，并會持續(xù)穿過大約30埃（大約氫原子的直徑）的距離，直到激發(fā)能被反應(yīng)中心捕捉到。這是科學(xué)家首次在真正的生物系統(tǒng)中捕獲和量化量子糾纏。研究人員表示，這樣的糾纏也會出現(xiàn)在如紫色光合細(xì)菌LH1和LH2等更大的捕光化合物中。而更大的捕光化合物也能夠制造和支持更多的激發(fā)能來獲得更多樣的糾纏狀態(tài)。

該研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)量子糾纏持續(xù)地存在于離散的捕光復(fù)合物的分子之間，而且溫度對糾纏程度的影響微乎其微。

另一篇發(fā)表在英國《自然》雜志上的文章結(jié)論是：相干量子波能同時以兩種或多種狀態(tài)存在，具有相干性的應(yīng)激子一次能以兩種或多種路徑穿過天線分子組成的“森林”。事實上，它們能同時探測到多個可能的路徑，并自動選擇最有效的方式到達(dá)反應(yīng)中心。

美國化學(xué)家格拉漢姆·弗萊明領(lǐng)導(dǎo)下兩個團(tuán)隊在做出研究，其中一個團(tuán)隊利用一系列極短的激光脈沖來探測綠色硫細(xì)菌的光合作用器官。他們使用固態(tài)氮把樣本冷卻到-196℃，探測到了清晰的相干應(yīng)激態(tài)存在的證據(jù)。第二個團(tuán)隊以紫細(xì)菌為研究對象，同樣在-93℃下發(fā)現(xiàn)了一樣的量子相干性。這表明，量子相干除了在低溫下，也可能在常溫下生物內(nèi)的光合作用中非常重要。

加拿大多倫多大學(xué)化學(xué)家格雷戈里·斯科爾斯等人的研究表明——在常溫下，能進(jìn)行光合的普通海洋藻類身上證明也具有量子相干性。研究人員在室溫下實現(xiàn)了海藻5-納米寬的光合作用蛋白上電子激發(fā)的量子相干共享，證實了量子效應(yīng)可能在其中發(fā)揮作用的理論。研究顯示這些蛋白內(nèi)相距較遠(yuǎn)的單元被量子相干連接在一起，以增強集光效率。他們研究了兩種藻類在常溫下的光吸收機制：一種稱為捕光復(fù)合體的特殊蛋白會將捕捉到的光能量注入光反應(yīng)中心。研究人員使用飛秒激光脈沖讓蛋白模擬吸收陽光的行為，發(fā)現(xiàn)被吸收光同時出現(xiàn)在了兩個地方，呈現(xiàn)出了量子疊加態(tài)。這表明，即使在常溫下，量子力學(xué)的隨機性也表現(xiàn)在生物體內(nèi)，而不僅僅是非生命的存量子級別的物質(zhì)中。

量子力學(xué)家認(rèn)為，量子傳播過程中，可以有很多路線，而人走路只能選擇一條，比如你想去某地，而對量子來講，多條路線可以同步走，達(dá)到最短路徑。在很多酶催化反應(yīng)中，光子通過量子隧道效應(yīng)從一個分子移到另一個分子。還有人認(rèn)為，氣味源于分子振動的生化感應(yīng)，這個過程涉及到氣味負(fù)責(zé)的分子和鼻子中的接受器之間的電子隧穿。

量子力學(xué)在動物界的應(yīng)用

為了尋找食物，繁衍后代，很多鳥一年要遷徙幾千到幾萬公里。科學(xué)家一直想弄明白鳥是如何倚靠地球電磁場定位的。這種量子輔助的磁感應(yīng)可能廣泛存在。不僅鳥類，許多動物（從鳥類到狐貍甚至可能包括人類）身上存在著磁場接收器，某些昆蟲甚至植物都對磁場表現(xiàn)出了生理反應(yīng)，例如，磁場可能也采用同自由基機制一樣的方式出現(xiàn)的磁場來緩和藍(lán)光對開花植物阿拉伯芥生長的抑制作用。

虹鱒魚在大海里暢游三年時間，雖然離家有300公里，但是它們依然能回到最初的孵化地。一般來說，虹鱒魚跟隨著溪流游弋，很少出現(xiàn)方向性的錯誤?？茖W(xué)家認(rèn)為虹鱒魚似乎是依賴地球磁場完成它們長距離旅程的。

虹鱒魚的磁場細(xì)胞中，磁性微粒緊鄰細(xì)胞膜，而非細(xì)胞核。

現(xiàn)在，路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學(xué)地球科學(xué)家Michael Winklhofer領(lǐng)銜的研究小組分離出了這種魚體內(nèi)的磁場細(xì)胞，這種磁場細(xì)胞所占的比例可能不到萬分之一。為將磁場細(xì)胞分離出來，Winklhofer和同事們在顯微鏡下放置了懸浮的虹鱒魚細(xì)胞，顯微鏡上也裝置了磁鐵。研究人員認(rèn)為，這樣一來，所有含有磁性的細(xì)胞將會慢慢圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)。用這種方法，研究人員從虹鱒魚的鼻部分離出了磁場細(xì)胞。在每個虹鱒魚的嗅覺組織中，他們發(fā)現(xiàn)有1到4個細(xì)胞圍繞旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，并且每個細(xì)胞中磁性微粒緊挨著細(xì)胞膜。每個細(xì)胞的磁力比研究人員預(yù)想的大上百倍。這說明，魚類不僅有能力覺察基本方向，而且其對磁場強度的感知能力能給它們提供更為精確的經(jīng)緯度信息。

2013年9月，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩種能發(fā)電并導(dǎo)航的魚類。它們生活在巴西亞馬孫河流域的“流動草地”，該水域有許多植物，新發(fā)現(xiàn)的新物種魚類使用電流在渾濁的水中進(jìn)行導(dǎo)航。這兩種魚類外型奇特，被稱為鈍頭刀魚。它們從尾部特殊的發(fā)電器官釋放幾百毫伏電脈沖，發(fā)電器官能夠探測到電場中任何物體導(dǎo)致的電場扭曲，像蝙蝠和海豚進(jìn)行回聲定位導(dǎo)航，它們使用電子定位系統(tǒng)探測周圍環(huán)境。

科學(xué)家猜測鳥的磁場感應(yīng)器被射入鳥視網(wǎng)膜上的光所激活，每個入射光子沉積的能量會制造一對自由基——高度反應(yīng)的分子，每個自由基擁有一個未被配對的電子，每個未配對電子擁有一個內(nèi)在的角動量—自旋，這個自旋的方向能被磁場重新定位。隨著自由基分開，一個自由基上未配對的電子主要受到原子核附近磁場的影響，然而，另一個自由基上未配對的電子則會遠(yuǎn)離原子核，只感受地球的磁場，磁場差異改變了兩個具有不同化學(xué)反應(yīng)能力的量子狀態(tài)之間的自由基對。劍橋大學(xué)的物理學(xué)家西蒙·本杰明表示：“有種想法認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)處于一種狀態(tài)而不是另一種狀態(tài)時，某種化學(xué)物質(zhì)在鳥類的視網(wǎng)膜細(xì)胞中被合成，其濃度反映了地球磁場的方向。2008年，科學(xué)家們進(jìn)行了一個人工光化學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)磁場影響了自由基的壽命，從而證明了這種想法的合理性?！北窘苊骱屯轮罢J(rèn)為，吸收單個光子會制造出的這兩個未配對的電子以量子糾纏狀態(tài)而存在，量子糾纏是量子相干的一種形式，在量子糾纏狀態(tài)中，不管自由基移動得多遠(yuǎn)，一個自旋方向同另一個自旋方向密切相關(guān)。量子糾纏狀態(tài)在室溫下通常非常脆弱，但是，科學(xué)家們推測，它至少能在鳥的指南針中持續(xù)幾十微秒。

2013年5月，奧地利和澳大利亞科學(xué)家David Keays等博士領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)，在鳥類的羽毛下似有一個內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)，大多數(shù)動物的毛細(xì)胞參與聽覺與平衡功能中，在鳥類的耳朵中有一種名為毛細(xì)胞，負(fù)責(zé)探測聲音和重力的感覺神經(jīng)元，每一個細(xì)胞都在同一個位置有一個單一的鐵球。研究人員認(rèn)為這種鐵球非常類似于指南針，能夠幫助鳥類了解方向、太陽的位置并且?guī)椭鼈冋业铰肪€。

美國貝勒醫(yī)學(xué)院的吳樂清和戴維·迪克曼在美國《科學(xué)》周刊上發(fā)表文章，鴿子腦部的神經(jīng)元為地球磁場方向編碼，讓這種鳥類擁有與生俱來的內(nèi)置全球定位系統(tǒng)（GPS）。他們發(fā)現(xiàn)了鴿子的腦細(xì)胞是怎樣記錄了從地球磁場中感知到的詳細(xì)導(dǎo)航信息?？茖W(xué)家將一些鴿子置于黑暗的環(huán)境下，并對它們的腦部進(jìn)行監(jiān)測，接著調(diào)高了磁場的強度，并對其范圍、高度和其他變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。他們用基因標(biāo)記來確定神經(jīng)元被激活的時間點，而且把關(guān)注的重點放在用來處理此類信息的神經(jīng)區(qū)域。最終，他們在鴿子的腦干部位確定了活動性大大提高的53個神經(jīng)元。而且，這些腦細(xì)胞與相對應(yīng)的人工磁場范圍最為敏感。他們的發(fā)現(xiàn)揭示：鴿子腦部一種稱為神經(jīng)元的單細(xì)胞可以將磁場方位、強度和極性信息編制成密碼。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鴿子內(nèi)耳中某一區(qū)域處于變化的磁場中時，這些腦部的神經(jīng)元就會做出反應(yīng)。那么信號從何而來？吳和迪克曼認(rèn)為磁場信息通過內(nèi)耳發(fā)送到神經(jīng)元，不過喙部和視網(wǎng)膜接收器也有可能在其中發(fā)揮了作用。這就是鴿子神經(jīng)系統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)。有證據(jù)表明，這些神經(jīng)元屬于一個接收器網(wǎng)絡(luò)，接收器可以發(fā)現(xiàn)并向腦部的其他部位發(fā)送有關(guān)地球磁場方位和強度的信息。他們猜測，腦部的其他區(qū)域把新收到的磁場數(shù)據(jù)與腦中的地球表面三維圖像相對照，這讓鳥類擁有驚人的導(dǎo)航能力。

不僅鴿子有“GPS定位系統(tǒng)”，科學(xué)家證實人類大腦也同樣存在“內(nèi)置GPS”?？茖W(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)老鼠處于一個特定的場所時，會激活海馬中的位置神經(jīng)細(xì)胞，不久后人類也被發(fā)現(xiàn)擁有這種細(xì)胞。2005年科學(xué)家們在老鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了定位細(xì)胞，后來在蝙蝠和猴子體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了定位細(xì)胞，這些定位細(xì)胞為位置細(xì)胞提供信息輸入。2013年8月，科學(xué)家利用磁共振成像研究表明，定位細(xì)胞存在于人類體內(nèi)，這次的研究證明了它們存在的確鑿證據(jù)。這項研究的研究員，費城德雷塞爾大學(xué)的Joshua Jacobs說道：“定位細(xì)胞會告訴人們所處環(huán)境的位置，而在動物中這些細(xì)胞會為導(dǎo)航提供一種測量工具。”

生命在極端環(huán)境下的表現(xiàn)，證明了量子領(lǐng)域參與了生命的保持與演化。在物質(zhì)向生命演化過程中有很多的疑問，需要很多的問題來解釋生命的誕生以及與物質(zhì)的聯(lián)系。

在我們生活著的地球，“生命無所不在”這一觀點已一次次得到證實。無論是在溫度極高的火山口附近，還是在南極洲異常寒冷的冰天雪地中，無論是在太空邊緣，還是深在地下，科學(xué)家們都發(fā)現(xiàn)了生命的存在。人們也一直把目光投向地球之外的宇宙之中，去尋找那些“隱藏最深”的生命。

目前來說，科學(xué)家一直認(rèn)為量子效應(yīng)在生物體系統(tǒng)內(nèi)的作用是自然選擇的結(jié)果，而事實上從生命誕生開始，量子就參與了生命的構(gòu)成與運作。恰恰是量子本身的特性，使生命誕生及表達(dá)有了可能。人們必須從量子角度，在量子結(jié)構(gòu)角度去理解生命。我們從生命的角度解讀量子物質(zhì)，從量子與生命的關(guān)系中，尋找?guī)资畠|年來，生命的物質(zhì)基礎(chǔ)的演化過程。

就生命本質(zhì)來講，生命本身就是量子的表達(dá)，從生命解讀量子，不僅僅能夠促進(jìn)對生命的研究，也會推動物理學(xué)本身的發(fā)展。