量子力學(xué)描述的是一個古怪的世界:粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方，或兩個粒子彼此相距很遠(yuǎn)都存在著某種聯(lián)系。多年來，生物學(xué)家小心翼翼地把量子力學(xué)引入到生物學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)可以解釋一些令人驚奇的生命現(xiàn)象。
每年秋天，成千上萬只知更鳥為了躲避北歐的嚴(yán)冬，開始向南遷徙，飛往溫暖的地中海沿岸。那么知更鳥是如何在這3000多千米的遷徙路途中找到方向而不迷失呢？與其他的物種不同，候鳥、海洋動物，甚至一些昆蟲，它們不依靠于地標(biāo)、洋流、太陽位置或星空等來找到方向。相反，它們利用的是地球磁場來導(dǎo)航。具體地說，它們能夠檢測到地球磁場方向的細(xì)微變化。這是一個十分了不起的本領(lǐng)，因為地球磁場的強(qiáng)度要比一個冰箱門上磁鐵的強(qiáng)度要弱100多倍。另外，知更鳥本領(lǐng)更大，通過一個被愛因斯坦稱為“鬼魅般的”量子效應(yīng)，它們可以直接“看到”地球的磁場。
過去幾年里，科學(xué)家針對知更鳥和它的量子“第六感”的研究，已經(jīng)發(fā)展出了一個新的研究領(lǐng)域。這個領(lǐng)域把生命科學(xué)與量子力學(xué)結(jié)合了起來。這就是量子生物學(xué)。
量子力學(xué)的生物問題
眾所周知，量子力學(xué)描述的是世界在微觀尺度下所發(fā)生的事情。這個微觀尺度下的世界里充滿了怪異的事情：一個粒子可以同時出現(xiàn)在多個地方，自己還可以像波一樣傳播出去，穿過一道密不透風(fēng)的壁壘，甚至兩個粒子彼此相距很遠(yuǎn)都存在著某種瞬時作用。
既然量子力學(xué)可以如此精確地描述微觀粒子的行為，那么為什么我們以及我們周圍的事物卻不能像微觀粒子那樣可以同時出現(xiàn)在兩個地方，或者穿過密不透風(fēng)的壁壘，或者出現(xiàn)瞬時作用呢？畢竟我們以及我們周圍的事物都是由原子構(gòu)成的?。∫粋€很明顯的不同是，量子力學(xué)只是用于單一的，或少量粒子組成的系統(tǒng)，而更大的系統(tǒng)是由數(shù)萬億個原子構(gòu)成。不知怎么的，當(dāng)系統(tǒng)更大時，量子的怪異特性就被抹掉了，最終日常的事物去遵守我們所熟悉的經(jīng)典物理學(xué)。事實上，如果我們真的要想檢測更大的對象的量子效應(yīng)，我們得把它們的溫度降到接近絕對零度，并把它們放在近乎完美的真空之中（典型的例子就是超導(dǎo)現(xiàn)象）。
基于上面的觀點，量子效應(yīng)應(yīng)該也不會在溫暖、潮濕和混亂的細(xì)胞里發(fā)揮作用，所以大多數(shù)生物學(xué)家直接就忽視了量子力學(xué)，繼續(xù)根據(jù)傳統(tǒng)的球棍模型分子結(jié)構(gòu)來研究生命現(xiàn)象。同時，量子物理學(xué)家也一直不愿意冒險進(jìn)入這個復(fù)雜的生物細(xì)胞世界，畢竟在可控的粒子物理實驗室里，他們還是有機(jī)會了解事情是怎么一回事。
不過在70年前，獲得過諾貝爾獎的奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤在他的著作《生命是什么？》中闡述到，生物學(xué)的某些特性必然是基于量子力學(xué)的。這本書激發(fā)了那個時候的許多科學(xué)家，包括DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森。薛定諤提出生命與非生命有著一些獨特的區(qū)別。他認(rèn)為最重要的是，生命可以利用量子力學(xué)中一些古怪的效應(yīng)來操控細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)作。
近幾十年來，隨著對生命微觀系統(tǒng)的研究不斷取得新進(jìn)展，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，薛定諤太具有預(yù)見力了——一些最為基本的生命活動確實是依賴于量子力學(xué)的古怪效應(yīng)。下面舉三個最為典型的例子來說明。
生命活動中的量子效應(yīng)
酶是生命最重要的組成部分，它們可以加速細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)。沒有它們的話，細(xì)胞的活動過程可能會需要數(shù)千年的時間，所以說生命離不開酶。問題是，酶是如何加速細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)呢？這在過去一直困擾生物學(xué)家。最近幾十年的實驗顯示，酶原來是利用量子隧道效應(yīng)來加快化學(xué)反應(yīng)的。從本質(zhì)上講，酶可以使得電子和質(zhì)子從生物分子中的一個位置消失，直接跳過了兩個位置之間的任何障礙，并立即在分子中的另一個位置出現(xiàn)。這就好像粒子挖了一個秘密隧道穿過去一樣，所以稱為量子隧道效應(yīng)。生命離不開酶，而酶是利用量子隧道效應(yīng)來發(fā)揮作用的，所以說，這種量子效應(yīng)在生命活動中扮演了極為重要的角色。
另一個例子則與光合作用有關(guān)。光合作用是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)，植物之所以被稱為食物鏈的生產(chǎn)者，是因為它們能夠利用光合作用把無機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬷芰康挠袡C(jī)物，這是動物食物鏈的第一環(huán)。
植物的光合作用發(fā)生在葉綠體中。其中第一步是色素分子捕獲陽光中的一股能量，然后這個光能會在這些色素分子中迅速傳遞，并抵達(dá)葉綠體的反應(yīng)中心。在反應(yīng)中心那里，光能會最終轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并存儲在有機(jī)物分子中。光能在色素分子中傳遞非?？?，在10-12秒到10-9秒內(nèi)就完成了，而且能量傳輸效率極高，接近100%，高于任何人造的能量傳輸設(shè)備。另外，光能總是能快速地找到抵達(dá)反應(yīng)中心的最快路線。
問題是這個路線是如何找到的呢？2007年，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家通過實驗才發(fā)現(xiàn)，這背后其實是一種量子力學(xué)效應(yīng)。光能并不是像一個粒子那樣從一個一個色素分子跳過去，而是像波一樣傳播開來，根據(jù)量子力學(xué)，也可以說是光能可同時走各種路徑，這樣就會迅速找到最快的路徑。
第三個例子則是我們在文章開始所介紹的——候鳥以及其他種類的動物可以用地球的磁場來進(jìn)行導(dǎo)航。針對知更鳥的研究表明，它的內(nèi)部有著一個化學(xué)“指南針”，是利用被稱為量子糾纏的效應(yīng)來發(fā)揮作用。量子糾纏被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”，它指的是兩個離得很遠(yuǎn)的糾纏粒子也可以瞬時地彼此影響，與距離無關(guān)。目前科學(xué)家猜測，在知更鳥眼睛中的蛋白質(zhì)里，一對互相糾纏的電子對地球磁場方向的變化十分敏感，這樣會使得鳥能“看見”地球磁場并知道該向哪里飛。
那么在生命的活細(xì)胞里，有著數(shù)萬億粒子隨機(jī)運(yùn)動形成的湍流，量子效應(yīng)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亂運(yùn)動，而是去擁抱它們。舉個形象的例子，就像一艘船的船長利用湍流、風(fēng)暴和暴雨來保持他的船直立并繼續(xù)航行。
就像薛定諤預(yù)測的那樣，生命是處在符合常識的宏觀規(guī)律與怪異的量子規(guī)律之間的邊界處?？梢哉f上面這些發(fā)現(xiàn)，意味著量子生物學(xué)時代的到來。
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