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酶催化反應(yīng)的神速是因?yàn)榇畛肆恕傲孔铀泶钡目燔噯?？光合作用中的能量轉(zhuǎn)移效率與“量子相干性”相干嗎？動(dòng)物感知磁場(chǎng)是糾纏的電子感知到了磁場(chǎng)朝向的變化？當(dāng)我們聞到氣味時(shí)，不僅是“聞到”了氣味分子的形狀，而且還“嗅到”了它們化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率？科學(xué)家在諸多生命過(guò)程中都找到了量子效應(yīng)的證據(jù)。溫暖嘈雜的生命沒有完全淹沒微觀世界的量子力學(xué)現(xiàn)象——愈反直覺，愈迷人。
撰文 | Catherine Offord
譯者 | 韓若冰
在謝菲爾德大學(xué)的一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室中，幾百個(gè)光合細(xì)菌被置于兩面相距不到1微米的鏡子之間。物理學(xué)家David Coles和他的同事正在用白光照射這一充滿微生物的空隙，他們可以通過(guò)改變鏡子的間距來(lái)調(diào)節(jié)光在細(xì)胞周圍彈射的方式。根據(jù)2017年發(fā)表的結(jié)果，這種復(fù)雜的設(shè)置可以使光子與少數(shù)細(xì)胞中的光合作用結(jié)構(gòu)發(fā)生物理相互作用，這一作用通過(guò)微調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置就可以改變。
研究人員可以如此控制細(xì)胞與光的相互作用，這本身就是一項(xiàng)成就。然而，對(duì)這一發(fā)現(xiàn)更加驚人的闡釋出現(xiàn)在第二年。Coles和幾位合作者在重新分析數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和光子之間相互作用的性質(zhì)比原始分析中提出的更為古怪。兩篇論文的共同作者、牛津大學(xué)物理學(xué)家Vlatko Vedral說(shuō)：“一個(gè)似乎無(wú)可避免的結(jié)論是，（我們）間接真正目睹的是量子糾纏?！?/p>
量子糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)粒子互相依存的狀態(tài)，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。這是亞原子圖景中諸多反直覺的特性之一。在這幅圖景中，電子和光子這樣的粒子同時(shí)表現(xiàn)為粒子和波，同時(shí)占據(jù)多重位置和狀態(tài)，并能越過(guò)看似不可穿透的勢(shì)壘。量子力學(xué)復(fù)雜的數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述了這種尺度上的過(guò)程，這樣的過(guò)程也常常產(chǎn)生看似違反常識(shí)的效應(yīng)。正是使用這種語(yǔ)言，Vedral和同事們?cè)谥x菲爾德實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中檢測(cè)到了光子和細(xì)菌之間糾纏的特征。
研究人員已經(jīng)多次在無(wú)生命物體中證明了糾纏的存在：2017年有科學(xué)家報(bào)告稱，他們?cè)O(shè)法保持了相隔1200公里的光子對(duì)之間的相互依存性。但如果Vedral和同事們的假設(shè)是正確的，也就是說(shuō)，如果量子糾纏現(xiàn)象也存在于細(xì)菌中的話，那么這項(xiàng)研究可能標(biāo)志著人們第一次在生物體內(nèi)觀察到糾纏，并且表明量子效應(yīng)在生物學(xué)中并非像過(guò)去認(rèn)為的那樣罕見，從而為原本就已存在的證據(jù)添磚加瓦。
在生命系統(tǒng)的混亂世界中可能觀察到量子現(xiàn)象，這在歷史上一直是一種邊緣的觀念。雖然量子理論準(zhǔn)確地描述了構(gòu)成所有物質(zhì)的單個(gè)粒子的行為，但長(zhǎng)久以來(lái)科學(xué)家們認(rèn)為，數(shù)十億粒子在環(huán)境溫度下的集體運(yùn)動(dòng)會(huì)淹沒任何古怪的量子效應(yīng)，并且大量粒子的集體行為可以通過(guò)牛頓等人確立的更為人熟知的經(jīng)典力學(xué)得到更好的解釋。的確，量子現(xiàn)象的研究者通常會(huì)僅僅為了消除環(huán)境噪聲，而在接近絕對(duì)零度的溫度下隔離粒子——這一溫度下幾乎所有的粒子運(yùn)動(dòng)都停止了。
薩里大學(xué)理論物理學(xué)家Jim Al-Khalili說(shuō)：“環(huán)境越溫暖，背景噪音就越嘈雜，這些量子效應(yīng)也就會(huì)越快消失?！?Al-Khalili是2014年一本名叫《神秘的量子生命》（Life on the Edge）的書的共同作者，這本書將量子生物學(xué)呈現(xiàn)給了普通讀者?！八哉f(shuō)量子效應(yīng)竟然在細(xì)胞內(nèi)部持續(xù)存在，這簡(jiǎn)直是荒謬、反直覺的。然而，如果它們確實(shí)存在——有很多證據(jù)顯示在特定現(xiàn)象中量子效應(yīng)是存在的——那么生命一定在以一種特別的方式在運(yùn)作?！?/p>
支持Al-Khalili和Vedral的科學(xué)家群體正在不斷壯大。他們主張量子世界的效應(yīng)可能會(huì)是闡釋一些生物學(xué)中最大的謎團(tuán)的核心所在，甚至可能受制于自然選擇，這些謎團(tuán)涉及到酶催化效率、鳥類導(dǎo)航，乃至人的意識(shí)。
牛津大學(xué)的物理學(xué)家Chiara Marletto與Coles和Vedral合作研究關(guān)于細(xì)菌-量子糾纏的論文，她說(shuō)：“整個(gè)領(lǐng)域都試圖證明這一點(diǎn)，即不僅量子理論適用于這些生物系統(tǒng)，而且測(cè)試這些系統(tǒng)是否利用量子物理來(lái)發(fā)揮其功能也是有可能的。”
1生物學(xué)基本反應(yīng)中的量子效應(yīng)
到20世紀(jì)80年代中期，加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家Judith Klinman確信，有關(guān)酶催化的傳統(tǒng)解釋是不完整的。當(dāng)代理論認(rèn)為，在形狀匹配的基礎(chǔ)上，酶和底物按照經(jīng)典力學(xué)規(guī)律發(fā)生相互作用，將底物聚集在其活性位點(diǎn)，并將分子結(jié)構(gòu)的過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定下來(lái)，從而將反應(yīng)速率增加到萬(wàn)億倍或更高。然而Klinman從酵母中提取酶進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)后，得到了奇怪的結(jié)果。
在催化芐醇氧化成苯甲醛時(shí)，醇脫氫酶會(huì)將氫原子從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置。出乎意料的是，當(dāng)Klinman和她的同事用較重的同位素氘和氚替換底物中的特定氫原子時(shí)，反應(yīng)急劇減慢。雖然酶催化的經(jīng)典闡釋可以包容適度的同位素效應(yīng)，但無(wú)法說(shuō)明Klinman觀察到的反應(yīng)速率大幅度下降的原因。她說(shuō)：“我們所觀察到的現(xiàn)象與現(xiàn)有理論存在偏離?！?/p>
她的團(tuán)隊(duì)一直在探究，后來(lái)在1989年，他們以流傳于酶研究圈子的想法為基礎(chǔ)，發(fā)表了一種解釋：催化反應(yīng)涉及一種稱為隧穿效應(yīng)的量子“戲法”。Al-Khalili解釋說(shuō)，量子隧穿好比踢足球穿過(guò)一座山，這里的足球就是電子或其他粒子，而山就是阻礙反應(yīng)發(fā)生的能量勢(shì)壘?！霸诮?jīng)典世界，你需要狠踢一腳才能讓球翻過(guò)山到達(dá)另一邊。而在量子世界，你無(wú)需這么做。球可以升到半路，憑空消失，再?gòu)牧硪贿叧霈F(xiàn)?！?/p>
傳統(tǒng)的酶催化理論認(rèn)為，蛋白質(zhì)通過(guò)降低活化能來(lái)加速反應(yīng)。但是一些研究人員認(rèn)為，一種被稱為隧穿效應(yīng)的量子“戲法”也發(fā)揮著作用，并且酶活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)進(jìn)化到能夠利用這種現(xiàn)象。| 圖片來(lái)源：?LUCY READING-IKKANDA??
圖中橫軸表示反應(yīng)過(guò)程，縱軸表示能量。
曲線A：能量勢(shì)壘（稱為活化能）阻止許多化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地進(jìn)行。
曲線B：酶穩(wěn)定了允許反應(yīng)（例如分子內(nèi)氫原子的運(yùn)動(dòng)）發(fā)生的中間或“過(guò)渡”狀態(tài)，從而降低了該勢(shì)壘。
曲線C：在量子隧穿過(guò)程中，粒子會(huì)以一定的概率瞬間穿過(guò)勢(shì)壘。如果分子內(nèi)的粒子通過(guò)量子隧穿轉(zhuǎn)移，則可以繞過(guò)中間態(tài)。
Klinman的團(tuán)隊(duì)在那篇文章和后來(lái)的論文中提出，在芐醇氧化和許多其他反應(yīng)的催化過(guò)程中，氫轉(zhuǎn)移會(huì)在隧穿效應(yīng)的幫助下進(jìn)行。這有助于解釋為什么氘和氚常常會(huì)阻礙反應(yīng)發(fā)生——更重的粒子更難以產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，從而也會(huì)使同分子中的其他粒子更難產(chǎn)生隧穿效應(yīng)。Al-Khalili 說(shuō)，Klinman小組觀察到的效應(yīng)此后被其他實(shí)驗(yàn)室在多種酶中進(jìn)行了復(fù)制，這些效應(yīng)為生物系統(tǒng)中的量子效應(yīng)“假說(shuō)”提供了最強(qiáng)有力的證據(jù)。
雖然現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為生物催化中會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，但對(duì)于其重要程度以及是否可能受自然選擇影響，研究者之間出現(xiàn)了分歧。例如，科羅拉多州立大學(xué)的化學(xué)家Richard Finke表明，無(wú)論酶是否存在，一些反應(yīng)都會(huì)表現(xiàn)出相似程度的同位素效應(yīng)，這表明酶不太可能經(jīng)過(guò)了特別的進(jìn)化適應(yīng)來(lái)增強(qiáng)其催化的反應(yīng)中的隧穿效應(yīng)。目前還不清楚隧穿效應(yīng)能在多大程度上加速反應(yīng)；一些研究人員認(rèn)為，在主要由經(jīng)典力學(xué)支配的過(guò)程中，這種影響通常只能產(chǎn)生微小的推動(dòng)作用。
Klinman認(rèn)為，酶的隧穿效應(yīng)要遠(yuǎn)為根本。她表示，酶可以創(chuàng)造非常精確和緊湊的活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)以促進(jìn)隧穿效應(yīng)。例如在催化反應(yīng)期間，酶會(huì)改變構(gòu)象以使氫供體和受體位點(diǎn)足夠接近——相距約0.27納米以內(nèi)——以促進(jìn)隧穿效應(yīng)。
為了探究這個(gè)想法，她的團(tuán)隊(duì)改變酶的活性位點(diǎn)，并觀察反應(yīng)速率和同位素效應(yīng)如何在體外發(fā)生變化。例如在今年早些時(shí)候，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種底物略微錯(cuò)位的大豆脂氧合酶，這種錯(cuò)位應(yīng)該不利于氫的隧穿效應(yīng)。與野生型相比，突變酶的催化能力低了四個(gè)數(shù)量級(jí)，并且對(duì)用氘取代氫更加敏感。
研究人員仍在量化隧穿效應(yīng)在催化中的作用，Klinman強(qiáng)調(diào)使用多種方法（包括誘變和計(jì)算建模）的重要性，以確切了解蛋白質(zhì)如何加速反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)性的酶進(jìn)化，即研究者反復(fù)選擇蛋白質(zhì)以提高其催化能力，也可以為隧穿效應(yīng)的貢獻(xiàn)提供見解，盡管近期的相關(guān)嘗試中至少有一項(xiàng)尚無(wú)定論。去年，一個(gè)研究催化氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)的酶的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中，量子隧穿效應(yīng)“并未觀察到有顯著的變化”。
這場(chǎng)辯論呼應(yīng)了另一場(chǎng)正在進(jìn)行的對(duì)話，那就是關(guān)于量子現(xiàn)象對(duì)于地球上另一種重要的生物學(xué)過(guò)程——光合作用——的功能上的重要性。正當(dāng)Vedral和同事探究細(xì)菌的光合作用結(jié)構(gòu)是否會(huì)與光子糾纏時(shí)，其他團(tuán)隊(duì)也在研究，另一種量子效應(yīng)會(huì)如何有助于將光合能量轉(zhuǎn)移的效率最大化。
在植物和某些微生物的光捕獲反應(yīng)期間，光子激發(fā)葉綠素分子中包含的電子，以產(chǎn)生一種稱為激子的實(shí)體。這些激子繼而從一個(gè)葉綠素分子轉(zhuǎn)移到下一個(gè)，直到抵達(dá)反應(yīng)中心，也就是一簇可以捕獲和貯存其能量的蛋白質(zhì)。
在植物和某些微生物的光捕獲反應(yīng)期間，光子激發(fā)葉綠素分子中包含的電子，以產(chǎn)生被稱為激子（Exciton）的結(jié)構(gòu)——這是一種包含激發(fā)態(tài)電子及其留下的帶正電荷的空穴的實(shí)體。這個(gè)激子繼而從一個(gè)葉綠素分子轉(zhuǎn)移到下一個(gè)，直到抵達(dá)被稱為反應(yīng)中心（Reaction center）的蛋白復(fù)合體。根據(jù)該過(guò)程的傳統(tǒng)或“非相干”模型，激子到反應(yīng)中心的路徑或多或少是隨機(jī)的。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)移過(guò)程中能量會(huì)丟失，所以這樣的路徑說(shuō)到底是不經(jīng)濟(jì)的。| 圖片來(lái)源：?LUCY READING-IKKANDA
激子在轉(zhuǎn)移時(shí)會(huì)失去能量，這意味著它們?cè)谌~綠素分子之間繞路越多，到達(dá)反應(yīng)中心的能量就越少。數(shù)十年前物理學(xué)家曾提出，如果轉(zhuǎn)移過(guò)程是量子相干的，那么這種浪費(fèi)就可能被逆轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，如果激子能以波而非粒子的形式運(yùn)動(dòng)，它們就可以同時(shí)嘗試所有能抵達(dá)反應(yīng)中心的路徑，并選取最高效的一條。
與傳統(tǒng)模型相反，如果能量轉(zhuǎn)移過(guò)程是“量子相干的”，激子像波一樣傳播，它就可以同時(shí)探索所有可能的路徑，并且只采用最高效的一條。| 圖片來(lái)源：?LUCY READING-IKKANDA
2007年，由加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家Graham Fleming和圣路易斯華盛頓大學(xué)的Robert Blankenship帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)稱，在從綠色硫細(xì)菌中提取的葉綠素分子復(fù)合物中，他們已經(jīng)觀察到量子相干性。硫細(xì)菌是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)于光照不足的深海中的光合微生物。研究者們利用了一項(xiàng)技術(shù)分析被樣品吸收和釋放的能量，并在冷卻到77開爾文（約-196℃）的復(fù)合物中檢測(cè)到了被稱為量子節(jié)拍（quantum beating）的信號(hào)，他們將這種振蕩視為量子相干性的證據(jù)。在隨后的幾年間，他們和其他研究小組在環(huán)境溫度下復(fù)制了該結(jié)果，并把葉綠素復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)從海藻擴(kuò)展到菠菜。
這些結(jié)果是否反映出光合作用的能量轉(zhuǎn)移中存在有意義的量子貢獻(xiàn)，這尚待討論。例如在2017年，德國(guó)的研究人員再次研究了綠色硫細(xì)菌，并稱其相干性效應(yīng)持續(xù)了不到60飛秒（1飛秒=10-15秒），這過(guò)于短暫，無(wú)法幫助能量轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心。但是在去年，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為葉綠素復(fù)合體中存在多種類型的相干性，其中一些可以持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)協(xié)助光合作用。另一些科學(xué)家提示說(shuō)，通過(guò)產(chǎn)生不同形式的關(guān)鍵性光捕獲蛋白質(zhì)，一些細(xì)菌可以切換相干性效應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)重新引發(fā)了學(xué)界的推測(cè)，或許正如酶一樣，光合作用機(jī)制也可能進(jìn)化到了利用量子現(xiàn)象的程度。
Blankenship稱，光合作用中的相干性效應(yīng)如今已經(jīng)是廣為接受的現(xiàn)象。正如酶的隧穿效應(yīng)，“目前最關(guān)鍵的討論是，這些效應(yīng)是否真的對(duì)系統(tǒng)的有效性或其他方面有影響，是否能產(chǎn)生真正的生物學(xué)益處。我認(rèn)為這都還在討論之中?！?/p>
2動(dòng)物生物學(xué)謎團(tuán)的量子解釋
每年冬天，歐洲大陸北部的知更鳥都會(huì)向南遷徙數(shù)百公里到達(dá)地中海。這是一種通過(guò)磁感知——具體來(lái)說(shuō)就是鳥類探知地磁方向的能力——實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航壯舉。 然而解釋這種第六感的早期嘗試，包括鳥類依賴內(nèi)部磁鐵礦晶體的提議，都未能得到實(shí)驗(yàn)的支持。
到上世紀(jì)90年代末期，這個(gè)問題引起了Thorsten Ritz的注意。當(dāng)時(shí)他是伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的一名研究生，在已故的生物物理學(xué)家Klaus Schulten的指導(dǎo)下做光合作用中量子效應(yīng)的研究。Ritz說(shuō)，他對(duì)隱花色素尤為感興趣，這是一種在鳥類視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的光敏蛋白質(zhì)，如今成為在磁感知中發(fā)揮作用的“良好證據(jù)”。此后Ritz搬到了加州大學(xué)歐文分校。因此在2000年，專注于此種蛋白并基于Schulten的前期理論研究，Ritz、Schulten和另一個(gè)同事發(fā)表了磁感知如何運(yùn)作的解釋，后來(lái)被稱為自由基對(duì)模型（radical-pair model）。
研究人員提出，隱花色素蛋白中的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一對(duì)自由基，每個(gè)分子各自擁有一個(gè)孤電子。這些電子彼此之間可以產(chǎn)生量子糾纏，它們的行為對(duì)地磁之類的弱磁場(chǎng)的朝向很敏感。自由基相對(duì)于磁場(chǎng)的朝向變化理論上能夠觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使得信息能夠以某種方式傳遞至大腦。
圖中從左到右表示：鳥類視網(wǎng)膜，隱花色素蛋白，帶孤電子的自由基對(duì)； 單重態(tài)與三重態(tài)及其產(chǎn)物，神經(jīng)元，給大腦的神經(jīng)信號(hào)。根據(jù)鳥類磁感知的自由基對(duì)模型，在鳥類和其他動(dòng)物的視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的隱花色素可能正是磁感受器，它通過(guò)改變其中某些電子的自旋狀態(tài)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的方向。| 圖片來(lái)源：?LUCY READING-IKKANDA
隱花色素蛋白內(nèi)的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一對(duì)分子，每個(gè)分子都有一個(gè)孤電子。這些電子可以相互糾纏，并占據(jù)兩種狀態(tài)中的一種：一種是“單重態(tài)”，意味著一個(gè)電子的自旋方向與另一個(gè)的相關(guān)聯(lián)，二者的自旋是反平行的；另一種是“三重態(tài)”，兩個(gè)電子傾向于具有接近平行的自旋。
自由基對(duì)在這兩種狀態(tài)之間振蕩，在哪一種狀態(tài)中發(fā)現(xiàn)它的概率受磁場(chǎng)方向影響。如果自由基對(duì)的單重態(tài)和三重態(tài)與不同的生化反應(yīng)相關(guān)聯(lián)，那么，那些反應(yīng)產(chǎn)物的多少就可以提供關(guān)于磁場(chǎng)方向的信息。
如果這些產(chǎn)物進(jìn)一步影響鳥類視網(wǎng)膜的神經(jīng)信號(hào)，那么這種機(jī)制就可以為磁感知提供基礎(chǔ)。
該假設(shè)產(chǎn)生了一些預(yù)測(cè)，Ritz繼續(xù)與生物學(xué)家Roswitha和Wolfgang Wiltschko合作探究，后兩位率先描述了知更鳥的磁感知現(xiàn)象。例如在2004年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)將知更鳥置于以一定頻率和角度振蕩的磁場(chǎng)中，據(jù)模型預(yù)測(cè)，這會(huì)擾亂自由基對(duì)對(duì)地磁場(chǎng)的敏感性，從而有效破壞鳥類的導(dǎo)航能力。
自此該觀點(diǎn)開始得到越來(lái)越多的理論支撐。2018年，兩項(xiàng)針對(duì)隱花色素Cry4的分子特性和表達(dá)模式的研究表明，該蛋白質(zhì)可能正是斑馬魚和歐洲知更鳥體內(nèi)的磁感受器。
我們還需要更多的研究來(lái)確定鳥類的磁感知是否真的按照這種機(jī)制運(yùn)行，并揭示自由基對(duì)電子之間的糾纏是否重要。Ritz稱，科學(xué)家也并未完全理解隱花色素如何與大腦溝通磁場(chǎng)信息。與此同時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)正專注于誘變實(shí)驗(yàn)，這可能有助于揭示隱花色素的磁敏感性。去年秋天，牛津大學(xué)的化學(xué)家Peter Hore和德國(guó)奧登堡大學(xué)的生物學(xué)家Henrik Mouritsen獲得了有類似目標(biāo)的“量子鳥類”（QuantumBirds）項(xiàng)目的資助。
在動(dòng)物感覺生物學(xué)中，磁感知并不是唯一引起量子物理學(xué)家興趣的謎團(tuán)；研究人員希望幫助破解的另一種在科學(xué)上頗為神奇的感覺是嗅覺。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，氣味分子與嗅覺神經(jīng)元上的蛋白受體結(jié)合以觸發(fā)嗅覺，但這個(gè)理論面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)橐恍┬螤顜缀跸嗤姆肿佑兄耆煌臍馕?，而另一些立體化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的分子聞起來(lái)卻有著相似的味道。
在1990年代中期，倫敦大學(xué)學(xué)院的生物物理學(xué)家Luca Turin（如今是一位受人尊敬的香水評(píng)論家）提出，嗅覺受體可能不僅對(duì)氣味分子的形狀敏感，而且對(duì)其化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率敏感。他認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)氣味分子和受體結(jié)合時(shí)，如果它的鍵正以某種頻率振動(dòng)，就能促進(jìn)受體內(nèi)部電子的量子隧穿效應(yīng)。根據(jù)他的模型，這種電子轉(zhuǎn)移會(huì)觸發(fā)嗅覺神經(jīng)元中的信號(hào)級(jí)聯(lián)，最終向大腦發(fā)送神經(jīng)沖動(dòng)。
倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家Jenny Brookes以數(shù)學(xué)方式闡述了這個(gè)問題，以展示其在理論上的可行性。她說(shuō)，這個(gè)觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然不夠明朗，“但這正是它令人興奮的一部分原因?！苯陙?lái)，研究人員一直在尋找與酶反應(yīng)中相似的同位素效應(yīng)。如果隧穿效應(yīng)發(fā)揮重要作用，那么含有較重氫同位素的氣味分子應(yīng)該會(huì)由于鍵的振動(dòng)頻率較低而與正常分子的氣味不同。
但研究結(jié)果并不一致。2013年，Turin的團(tuán)隊(duì)稱，人類可以區(qū)分含有不同同位素的氣味劑。兩年后，其他研究人員未能重現(xiàn)這一結(jié)果，并稱該理論“難以置信”。但這一觀點(diǎn)并沒有過(guò)時(shí)。2016年有另一個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，蜜蜂可以分辨不同同位素的氣味，最近的理論研究提出了一系列新的預(yù)測(cè)，將幫助測(cè)試該模型的有效性。
在實(shí)驗(yàn)支持欠缺的情況下，理論工作也在將研究者的興趣引向量子生物學(xué)解釋。例如一些研究者推測(cè)，假定會(huì)在光合作用中發(fā)揮作用的相干效應(yīng)，也可能影響視覺和細(xì)胞呼吸等廣泛存在的生物現(xiàn)象。另一些人提出，質(zhì)子隧穿效應(yīng)會(huì)促進(jìn)DNA的自發(fā)突變，盡管Al-Khalili和同事的理論工作指出，至少對(duì)于他們建模的腺嘌呤-胸腺嘧啶堿基對(duì)來(lái)說(shuō)，這種可能性并不高。
奇怪的量子效應(yīng)可能在人類大腦中發(fā)揮作用，這一想法無(wú)疑是量子物理學(xué)在動(dòng)物界最極端的延伸了。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家Matthew Fisher認(rèn)為，神經(jīng)元具有能夠像量子計(jì)算機(jī)一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的分子機(jī)構(gòu)，它并不使用0或1這樣的經(jīng)典比特，而是運(yùn)用可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)的信息單位——量子比特來(lái)工作。
Fisher提出，大腦的量子比特編碼在波斯納分子（Posner molecule，分子式為Ca9(PO4)6）內(nèi)的磷酸根離子態(tài)上，波斯納分子是可在骨頭中發(fā)現(xiàn)的磷酸根離子和鈣離子簇，也可能出現(xiàn)在某些特定細(xì)胞的線粒體中。他的團(tuán)隊(duì)最近的理論工作提出，不同波斯納分子中的磷酸根離子態(tài)可以相互糾纏數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，因此或許可以進(jìn)行快速和復(fù)雜的計(jì)算。Fisher近期獲得了資助用以建立國(guó)際合作，稱為“量子腦”（QuBrain），該項(xiàng)目期望通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找這些效應(yīng)。許多神經(jīng)科學(xué)家都對(duì)這一項(xiàng)目能取得積極結(jié)果表示懷疑。
3讓量子生物學(xué)發(fā)揮作用
量子生物學(xué)中的大多數(shù)想法仍然是更多受到理論驅(qū)動(dòng)而不是實(shí)驗(yàn)支撐，但現(xiàn)在許多研究人員正試圖縮小其中差距。Vedral的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在今年晚些時(shí)候收集更多關(guān)于細(xì)菌中糾纏現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家Simon Gr?blacher也提議在緩步動(dòng)物中進(jìn)行糾纏實(shí)驗(yàn)。2017年，Al-Khalili和《神秘的量子生命》的共同作者、薩里大學(xué)的生物學(xué)家Johnjoe McFadden一道，幫助建立了量子生物學(xué)博士培訓(xùn)中心，以鼓勵(lì)跨學(xué)科探討和推動(dòng)研究工作。McFadden說(shuō)，在更廣泛的科學(xué)家和研究資助者群體中，“現(xiàn)在如果你說(shuō)自己正在研究生物學(xué)中的量子力學(xué)，你并不會(huì)被當(dāng)作徹底瘋了，只會(huì)被認(rèn)為有點(diǎn)古怪?！?/p>
其他研究人員也強(qiáng)調(diào)，無(wú)論理論機(jī)制是否獲得實(shí)驗(yàn)支撐，量子生物學(xué)的推測(cè)本身也是有價(jià)值的。理論物理學(xué)家和量子計(jì)算研究員Adriana Marais說(shuō)：“隨著技術(shù)的小型化，我們?cè)谏锸澜缰袚碛胸S富的信息，可以從中汲取靈感。這是一個(gè)探究生命是什么的絕佳機(jī)會(huì)，同時(shí)也是吸取經(jīng)驗(yàn)以最優(yōu)方式在微型尺度上設(shè)計(jì)生理過(guò)程的絕佳機(jī)會(huì)。”
量子生物學(xué)在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用包括從更高效的太陽(yáng)能電池到新型生物傳感器技術(shù)。去年，一個(gè)小組提出了一項(xiàng)部分基于嗅覺量子理論的“仿生鼻子”設(shè)計(jì)，用以檢測(cè)微量濃度的氣味劑。Hore和其他人強(qiáng)調(diào)，可能解釋磁感知現(xiàn)象的自由基對(duì)機(jī)制或許可以應(yīng)用于探測(cè)弱磁場(chǎng)的裝置。
Ritz說(shuō)：“我們可以利用獲得的信息來(lái)設(shè)計(jì)基于這些原則的系統(tǒng)，即使事實(shí)證明這不是鳥類的功能機(jī)理?！?/p>
詞匯表：量子術(shù)語(yǔ)
旋轉(zhuǎn)的原子和亞原子所處的粒子尺度的世界受量子力學(xué)概率規(guī)則的支配。對(duì)于生活在通常由經(jīng)典物理學(xué)描述的世界里的生物體來(lái)說(shuō)，量子世界常常產(chǎn)生看似反直覺的效應(yīng)。這些效應(yīng)已經(jīng)用于多種技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中，量子現(xiàn)象在幾種生物系統(tǒng)中的可能作用目前也正在探索當(dāng)中。
糾纏：如果兩個(gè)粒子的狀態(tài)相互依存，則被稱為是量子糾纏的，無(wú)論兩者之間的距離有多遠(yuǎn)。在糾纏的經(jīng)典例子中，如果測(cè)量?jī)蓚€(gè)糾纏態(tài)電子，則它們有著相反的自旋方向。
重要應(yīng)用：量子計(jì)算，量子密碼學(xué)
代表研究：光合作用，磁感知，人類意識(shí)
量子比特：這些信息單位是標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)字或位元的量子等價(jià)物。雖然一個(gè)比特可以處于0或1的狀態(tài)，但是量子比特可以同時(shí)具有多重狀態(tài)，并且可以與其他量子比特產(chǎn)生糾纏，以執(zhí)行并行計(jì)算。量子比特可以編碼在電子和其他亞原子粒子的自旋狀態(tài)中。
重要應(yīng)用：量子計(jì)算
代表研究：人類意識(shí)
隧穿效應(yīng)：量子尺度的粒子具有波動(dòng)性，并且其在任何時(shí)刻的確切位置都可由概率波函數(shù)來(lái)描述。結(jié)果就是，諸如電子這樣的粒子能以一定概率越過(guò)（或隧穿）看似不可穿透的能量勢(shì)壘。
重要應(yīng)用：熱核聚變，掃描隧道顯微鏡
代表研究：酶催化，光合作用，嗅覺，DNA突變
相干性：因?yàn)榱孔游矬w可以表現(xiàn)出波動(dòng)性，當(dāng)處于特定的節(jié)奏時(shí)，它們之間可以表現(xiàn)出被稱為相干性的波的性質(zhì)。量子相干性是量子物理學(xué)家觀察到的多種效應(yīng)的基礎(chǔ)，包括糾纏，以及表現(xiàn)為量子節(jié)拍的干涉圖案。傳統(tǒng)上認(rèn)為，在環(huán)境溫度下的分子躍動(dòng)中，相干性的喪失會(huì)很快發(fā)生。
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