第三节 生命中的量子力学效应

细菌中的量子现象

人们一般都不会把量子世界与生命世界联系起来，不过很多研究证明，量子一直参与并左右着生命世界。从生命诞生的必然角度分析，生命一开始就是一个量子事件，生物体是个量子集合，人体有7x1027个原子组成，子中大部分的质量都集中在原子核上，如果原子核假如是葡萄（20毫米）大小，那么整个原子的范围应该在200米左右。从微观角度讲，人体大部分空间正是电磁场。我们应该更多从量子角度审视生命。

生命活动中量子效应广泛存在，从植物的光合作用到鱼类，鸟儿对电磁方向的感知，包括人类的大脑活动，都有量子的参与。目前很多国家及科学家投入到量子在生命中如何参与的研究中。

通常来说，量子效应通常只在分子，原子级别层级被观察到，或者多分子在极端环境下比如高真空，超低温和严格控制程序的实验室中表现出量子效应。而生命世界因为处于温暖、潮湿、混乱的宏观世界中而无法表现出量子性。但越来越多的实验证明，量子现象恰恰是生命的主要活力机制所在与内在的驱动力。比如有科学家研究发现量子“相干性”（在量子层级里，整个系统每个部分的波型保持一致）在细胞混乱的生命体内，响应时间不超过1微秒。现在下面举几个例子：

近日，哈佛大学维斯生物工程研究所的一群研究人员尝试将一本大约有5.34万个单词的书籍编码到不到一沙克（亿万分之一克）的DNA微芯片中，连同文字一起的还有11张图片和一段Java程序。这是迄今为止人类使用DNA遗传物质储存数据量最大的一次实验，“今后，拇指大小的设备就能存下整个互联网的信息”。该项目首席研究员、哈佛大学遗传学家乔治·丘奇（George Church）说。这项实验被刊登在《科学》期刊上。

从二进制到碱基对编码DNA是生物数据库，它的主要功能就是存储包含各种指令的生物信息。DNA有G（鸟嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）四种碱基，共同构成了相互缠绕的双链阶梯状的螺旋结构。通过这四种碱基不同顺序的编码，存储了生物所有的遗传信息。1克DNA即能储存上千亿个千兆字节，相当于1000亿张DVD光盘的内容。

细胞内的酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。有一些酶它们的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率，这种现象无法用目前公认的理论来解释。有多种理论模型被提出来解释这类现象。一种理论模型引入了基于量子理论的穿隧效应，即质子或电子可以穿过激活能垒（就如同穿过隧道一般）。有报道发现色胺中质子存在量子穿隧效应，因此，有研究者相信在酶催化中也存在着穿隧效应，可以直接穿过反应能垒，而不是像传统理论模型的方式通过降低能垒达到催化效果。

美国明尼苏达大学研究人员最近拍摄到电子在细胞蛋白质中移动的分子图像。电子在细胞内移动产生的能量是生物体生存的基本能量来源之一，由此产生的能量被人体用来生成蛋白质、脱氧核糖核酸等复杂分子。这些复杂分子是促进生物体生长、维持生命和储存能量的基石。伊恩·威尔莫特等人利用X射线晶体技术获得的图像将加深对这一过程的理解。

生物体在诞生及进化过程中利用电流的历史久远，微生物学家德里克·洛维利、物理学家马克·托米勒在《自然·纳米技术》发表文章指出，他们首次发现，硫还原泥土杆菌体内的微生物纳米线（菌丝网）能长距离地传导电子。穿越这种杆菌生物膜的菌丝网由数十亿个细胞内聚而成，这些丝网让其生物膜具有了与广泛应用于电子工业的人造导电聚合物相媲美的导电性。科学家们称，这是他们首次观察到电荷沿着蛋白微丝传导，以前科学家们认为，这样的传导需要细胞色素蛋白质的参与，细胞色素让电子进行短距离“旅行”。而最新研究表明，这种细菌的蛋白微丝就像真正的金属导线一样，即便没有细胞色素，电子也能进行“长途旅行”。

英国东英吉利亚大学和美国西北太平洋国家实验室的科研人员，对一种生存在无氧环境中的沙雷菌进行了研究，结果发现其能通过纳米线将电子运送到体内的氧化铁（其对该细菌的作用就像氧气对人一样）。该报告主要作者东英吉利亚大学的克拉克说：“我们应该可以利用这一发现，从细菌身上获取更多电力，一切有生命的物体都会发电，人类就是利用电能来维持心脏跳动和大脑思考。沙雷菌会利用它们的导线来释放过多的电力，如果它们出现电荷阻塞，一切就会停止”，而这包括进食和呼吸。”

该研究说明在细菌领域，获得能量的来源是多样性的，而不仅仅是像人类一样依靠氧气，在后面例子中会有很多不依靠氧气而生存的细菌。而这也恰恰说明量子在生物领域的重要作用。

以上表明，有机生命世界，有其强大内在的量子规律，不为现代科学所知的强大的内在量子物理规律在决定生命的规则。在物理学部分，我们讲到多层聚合，聚合不仅仅是宇宙诞生的来源，也是银河系，太阳系，分子诞生的来源。现代科技也证明，分子级别的多层聚合，拥有很多神奇的效应，从细胞的结构，到有机分子官能团，从蛋白质结构，生物酶的结构，再到碳的多分子结构，包括现代试验室的低温分子的量子神奇效应。而多层聚合也恰恰是从物质的宇宙诞生到生命的意识诞生的贯穿，聚合也是生命形成的重要因素。

光在生物界的量子效应

量子与生命的关系，最重要的体现在光与生命的联系中，光合作用恰恰需要量子力学的帮助。研究人员一致认为，光合作用的生物体内表现着量子力学事件，比如电子等粒子表现出波一样的行动。光子击中一个天线分子，会激起一波一波带能量的粒子——应激子，就像石头落入水中激起的波纹一样。这些应激子会从一个分子“旅行”到另一个分子，直到到达反应中心，这种路径是随机的。很多科学家指出，这些应激子可能是相关的，它们的波纹会延展到多个分子，然后同时，它们也会保持彼此同步并且互相加强。

2010年5月，美国科学家首次记录并量化了光合作用中的量子纠缠。研究表明，在绿色植物中的光合作用中，量子纠缠是量子力学效应的一种自然属性，量子纠缠能够在一个生物系统中存在并且持续一段时间。该论文发表在《自然·物理学》杂志上。

通过光合作用，绿色植物可以将太阳能接近100%的转化。这么高效率的关键在于传递速度，而如何完成近乎瞬间的能量转移仍然是个未解之谜。加州大学化学家格雷汉姆·弗莱明的研究团队曾在2009年的《物理化学年鉴》上指出，植物通过光合作用得到的量子力学效应是一种关键能力，植物可以瞬时将捕光复合物分子中的光子能量传输给光电反应中心的复合物分子，完成能量的转移。包括弗莱明在内的研究小组确定，在光合作用中，绿色植物中的量子纠缠是量子力学效应的一种自然属性。原来科学家认为，量子纠缠是一种非常脆弱的状态，很难获得并持续，而现在证明，量子纠缠可以在一个生物系统中存在而且还能持续一段时间。

研究人员在大量FMO复合物（FMO是绿硫细菌的一个分子聚合物）中发现，量子纠缠能持续时间一般为几皮秒，并会持续穿过大约30埃（大约氢原子的直径）的距离，直到激发能被反应中心捕捉到。这是科学家首次在真正的生物系统中捕获和量化量子纠缠。研究人员表示，这样的纠缠也会出现在如紫色光合细菌LH1和LH2等更大的捕光化合物中。而更大的捕光化合物也能够制造和支持更多的激发能来获得更多样的纠缠状态。

该研究团队还发现量子纠缠持续地存在于离散的捕光复合物的分子之间，而且温度对纠缠程度的影响微乎其微。

另一篇发表在英国《自然》杂志上的文章结论是：相干量子波能同时以两种或多种状态存在，具有相干性的应激子一次能以两种或多种路径穿过天线分子组成的“森林”。事实上，它们能同时探测到多个可能的路径，并自动选择最有效的方式到达反应中心。

美国化学家格拉汉姆·弗莱明领导下两个团队在做出研究，其中一个团队利用一系列极短的激光脉冲来探测绿色硫细菌的光合作用器官。他们使用固态氮把样本冷却到-196℃，探测到了清晰的相干应激态存在的证据。第二个团队以紫细菌为研究对象，同样在-93℃下发现了一样的量子相干性。这表明，量子相干除了在低温下，也可能在常温下生物内的光合作用中非常重要。

加拿大多伦多大学化学家格雷戈里·斯科尔斯等人的研究表明——在常温下，能进行光合的普通海洋藻类身上证明也具有量子相干性。研究人员在室温下实现了海藻5-纳米宽的光合作用蛋白上电子激发的量子相干共享，证实了量子效应可能在其中发挥作用的理论。研究显示这些蛋白内相距较远的单元被量子相干连接在一起，以增强集光效率。他们研究了两种藻类在常温下的光吸收机制：一种称为捕光复合体的特殊蛋白会将捕捉到的光能量注入光反应中心。研究人员使用飞秒激光脉冲让蛋白模拟吸收阳光的行为，发现被吸收光同时出现在了两个地方，呈现出了量子叠加态。这表明，即使在常温下，量子力学的随机性也表现在生物体内，而不仅仅是非生命的存量子级别的物质中。

量子力学家认为，量子传播过程中，可以有很多路线，而人走路只能选择一条，比如你想去某地，而对量子来讲，多条路线可以同步走，达到最短路径。在很多酶催化反应中，光子通过量子隧道效应从一个分子移到另一个分子。还有人认为，气味源于分子振动的生化感应，这个过程涉及到气味负责的分子和鼻子中的接受器之间的电子隧穿。

量子力学在动物界的应用

为了寻找食物，繁衍后代，很多鸟一年要迁徙几千到几万公里。科学家一直想弄明白鸟是如何倚靠地球电磁场定位的。这种量子辅助的磁感应可能广泛存在。不仅鸟类，许多动物（从鸟类到狐狸甚至可能包括人类）身上存在着磁场接收器，某些昆虫甚至植物都对磁场表现出了生理反应，例如，磁场可能也采用同自由基机制一样的方式出现的磁场来缓和蓝光对开花植物阿拉伯芥生长的抑制作用。

虹鳟鱼在大海里畅游三年时间，虽然离家有300公里，但是它们依然能回到最初的孵化地。一般来说，虹鳟鱼跟随着溪流游弋，很少出现方向性的错误。科学家认为虹鳟鱼似乎是依赖地球磁场完成它们长距离旅程的。

虹鳟鱼的磁场细胞中，磁性微粒紧邻细胞膜，而非细胞核。

现在，路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学地球科学家Michael Winklhofer领衔的研究小组分离出了这种鱼体内的磁场细胞，这种磁场细胞所占的比例可能不到万分之一。为将磁场细胞分离出来，Winklhofer和同事们在显微镜下放置了悬浮的虹鳟鱼细胞，显微镜上也装置了磁铁。研究人员认为，这样一来，所有含有磁性的细胞将会慢慢围绕磁铁旋转。用这种方法，研究人员从虹鳟鱼的鼻部分离出了磁场细胞。在每个虹鳟鱼的嗅觉组织中，他们发现有1到4个细胞围绕旋转磁场转动，并且每个细胞中磁性微粒紧挨着细胞膜。每个细胞的磁力比研究人员预想的大上百倍。这说明，鱼类不仅有能力觉察基本方向，而且其对磁场强度的感知能力能给它们提供更为精确的经纬度信息。

2013年9月，科学家发现了两种能发电并导航的鱼类。它们生活在巴西亚马孙河流域的“流动草地”，该水域有许多植物，新发现的新物种鱼类使用电流在浑浊的水中进行导航。这两种鱼类外型奇特，被称为钝头刀鱼。它们从尾部特殊的发电器官释放几百毫伏电脉冲，发电器官能够探测到电场中任何物体导致的电场扭曲，像蝙蝠和海豚进行回声定位导航，它们使用电子定位系统探测周围环境。

科学家猜测鸟的磁场感应器被射入鸟视网膜上的光所激活，每个入射光子沉积的能量会制造一对自由基——高度反应的分子，每个自由基拥有一个未被配对的电子，每个未配对电子拥有一个内在的角动量—自旋，这个自旋的方向能被磁场重新定位。随着自由基分开，一个自由基上未配对的电子主要受到原子核附近磁场的影响，然而，另一个自由基上未配对的电子则会远离原子核，只感受地球的磁场，磁场差异改变了两个具有不同化学反应能力的量子状态之间的自由基对。剑桥大学的物理学家西蒙·本杰明表示：“有种想法认为，当系统处于一种状态而不是另一种状态时，某种化学物质在鸟类的视网膜细胞中被合成，其浓度反映了地球磁场的方向。2008年，科学家们进行了一个人工光化学反应，发现磁场影响了自由基的寿命，从而证明了这种想法的合理性。”本杰明和同事之前认为，吸收单个光子会制造出的这两个未配对的电子以量子纠缠状态而存在，量子纠缠是量子相干的一种形式，在量子纠缠状态中，不管自由基移动得多远，一个自旋方向同另一个自旋方向密切相关。量子纠缠状态在室温下通常非常脆弱，但是，科学家们推测，它至少能在鸟的指南针中持续几十微秒。

2013年5月，奥地利和澳大利亚科学家David Keays等博士领导的小组发现，在鸟类的羽毛下似有一个内部导航系统，大多数动物的毛细胞参与听觉与平衡功能中，在鸟类的耳朵中有一种名为毛细胞，负责探测声音和重力的感觉神经元，每一个细胞都在同一个位置有一个单一的铁球。研究人员认为这种铁球非常类似于指南针，能够帮助鸟类了解方向、太阳的位置并且帮助它们找到路线。

美国贝勒医学院的吴乐清和戴维·迪克曼在美国《科学》周刊上发表文章，鸽子脑部的神经元为地球磁场方向编码，让这种鸟类拥有与生俱来的内置全球定位系统（GPS）。他们发现了鸽子的脑细胞是怎样记录了从地球磁场中感知到的详细导航信息。科学家将一些鸽子置于黑暗的环境下，并对它们的脑部进行监测，接着调高了磁场的强度，并对其范围、高度和其他变量进行调节。他们用基因标记来确定神经元被激活的时间点，而且把关注的重点放在用来处理此类信息的神经区域。最终，他们在鸽子的脑干部位确定了活动性大大提高的53个神经元。而且，这些脑细胞与相对应的人工磁场范围最为敏感。他们的发现揭示：鸽子脑部一种称为神经元的单细胞可以将磁场方位、强度和极性信息编制成密码。研究人员发现，当鸽子内耳中某一区域处于变化的磁场中时，这些脑部的神经元就会做出反应。那么信号从何而来？吴和迪克曼认为磁场信息通过内耳发送到神经元，不过喙部和视网膜接收器也有可能在其中发挥了作用。这就是鸽子神经系统的全球定位系统。有证据表明，这些神经元属于一个接收器网络，接收器可以发现并向脑部的其他部位发送有关地球磁场方位和强度的信息。他们猜测，脑部的其他区域把新收到的磁场数据与脑中的地球表面三维图像相对照，这让鸟类拥有惊人的导航能力。

不仅鸽子有“GPS定位系统”，科学家证实人类大脑也同样存在“内置GPS”。科学家早就发现，当老鼠处于一个特定的场所时，会激活海马中的位置神经细胞，不久后人类也被发现拥有这种细胞。2005年科学家们在老鼠体内发现了定位细胞，后来在蝙蝠和猴子体内也发现了定位细胞，这些定位细胞为位置细胞提供信息输入。2013年8月，科学家利用磁共振成像研究表明，定位细胞存在于人类体内，这次的研究证明了它们存在的确凿证据。这项研究的研究员，费城德雷塞尔大学的Joshua Jacobs说道：“定位细胞会告诉人们所处环境的位置，而在动物中这些细胞会为导航提供一种测量工具。”

生命在极端环境下的表现，证明了量子领域参与了生命的保持与演化。在物质向生命演化过程中有很多的疑问，需要很多的问题来解释生命的诞生以及与物质的联系。

在我们生活着的地球，“生命无所不在”这一观点已一次次得到证实。无论是在温度极高的火山口附近，还是在南极洲异常寒冷的冰天雪地中，无论是在太空边缘，还是深在地下，科学家们都发现了生命的存在。人们也一直把目光投向地球之外的宇宙之中，去寻找那些“隐藏最深”的生命。

目前来说，科学家一直认为量子效应在生物体系统内的作用是自然选择的结果，而事实上从生命诞生开始，量子就参与了生命的构成与运作。恰恰是量子本身的特性，使生命诞生及表达有了可能。人们必须从量子角度，在量子结构角度去理解生命。我们从生命的角度解读量子物质，从量子与生命的关系中，寻找几十亿年来，生命的物质基础的演化过程。

就生命本质来讲，生命本身就是量子的表达，从生命解读量子，不仅仅能够促进对生命的研究，也会推动物理学本身的发展。