生物體內(nèi)的怪異量子力學(xué)：被人類忽視的微觀世界

據(jù)國外媒體報(bào)道，如果世界上有一樣?xùn)|西是最能夠體現(xiàn)“科學(xué)難以理解”這一觀點(diǎn)的話，那么量子力學(xué)一定是當(dāng)仁不讓的。科學(xué)研究顯示在微觀的量子世界里，物質(zhì)的行為方式非常怪異，在我們熟悉的這個(gè)宏觀世界看來幾乎是不可能的，比如一個(gè)粒子可以同時(shí)存在于兩個(gè)不同的位置，也可以瞬間消失或者憑空出現(xiàn)。

好在令人欣慰的是這種怪異的量子物理效應(yīng)在我們所生活的宏觀世界中造成的影響是非常有限的。我們所熟悉的世界仍然是那個(gè)被“經(jīng)典”物理學(xué)支配著的世界——或者至少這是科學(xué)家們一直以來所認(rèn)為的——直到數(shù)年之前。

光合作用中的量子效應(yīng)

粗看起來，光合作用似乎進(jìn)行起來非常容易

現(xiàn)在，我們的這個(gè)信心來源正在逐漸崩塌。量子效應(yīng)距離我們的生活或許并不像我們之前所認(rèn)為的那樣遙遠(yuǎn)。相反，它們或許就存在于很多我們所熟悉的生活現(xiàn)象與過程之中，從光合作用到發(fā)電廠，再到鳥類的遷徙行為，甚至我們的嗅覺可能也與量子物理學(xué)有關(guān)。

事實(shí)上，量子效應(yīng)是大自然的基本工具之一，它確保生命體能夠更好地運(yùn)作，也讓我們的身體成為一個(gè)運(yùn)作更為流暢的系統(tǒng)。

比如，從表面上看，光合作用是一個(gè)非常簡單的過程。植物、綠色藻類和某些種類的細(xì)菌能夠借助太陽光和二氧化碳產(chǎn)生能量，合成有機(jī)物。而讓生物學(xué)家們感到困惑的地方就在于：這整個(gè)過程看上去有點(diǎn)太過容易了。

光合作用中有一個(gè)環(huán)節(jié)尤其讓科學(xué)家們感到困惑不解：一個(gè)光子——你可以理解為一顆組成光線的粒子，在宇宙中穿行數(shù)十億年之后，與你家窗外的某一片葉子里的一個(gè)電子相遇了。對(duì)于這個(gè)幸運(yùn)的電子來說，接觸到光子讓它獲得了能量并開始到處運(yùn)動(dòng)。它穿過葉片細(xì)胞內(nèi)的一個(gè)很小的區(qū)域，并將其多出來的能量傳遞給一種特殊的分子，后者扮演了一種類似能量流的角色，將“燃料”輸送到植物機(jī)體的各處。

光合作用的背后很有可能隱藏著量子效應(yīng)的作用

這里的問題在于：這個(gè)小小的能量輸送系統(tǒng)運(yùn)作地太好了。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為受到激發(fā)的電子應(yīng)該在受激發(fā)后在負(fù)責(zé)光合作用的細(xì)胞內(nèi)到處運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，隨后才有可能從另一端出來從而完成能量的傳遞過程。但在現(xiàn)實(shí)中，電子穿過整個(gè)細(xì)胞所用的時(shí)間要遠(yuǎn)小于理論值。

這還沒完，受到激發(fā)的電子在這整個(gè)過程中間幾乎不會(huì)損失任何能量。這在經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來是難以現(xiàn)象的是一件事，因?yàn)樵诤鷣y穿過細(xì)胞內(nèi)部的過程中，由于與細(xì)胞內(nèi)壁等區(qū)域的碰撞，電子應(yīng)該會(huì)損失一部分能量，但實(shí)際上這樣的情況并未發(fā)生。整個(gè)過程太過迅速，也太完美太順暢太高效了——總之，這過程太完美了，幾乎不像是真實(shí)的。

然后在2007年時(shí)，研究光合作用過程的科學(xué)家們開始在這一問題上取得進(jìn)展?？茖W(xué)家們?cè)诠夂献饔孟嚓P(guān)的細(xì)胞內(nèi)部觀察到量子效應(yīng)起作用的證據(jù)。對(duì)電子行為的觀察開啟了相關(guān)研究進(jìn)展的大門，科學(xué)家們意識(shí)到，量子效應(yīng)可能在生物學(xué)過程中扮演著重要的角色。

這可能是關(guān)于受激發(fā)電子為何能夠如此高效地通過光合作用細(xì)胞的部分答案。量子力學(xué)的一項(xiàng)詭異特性便是它允許粒子在同一時(shí)間存在于多個(gè)不同的位置，這種特性被稱為“量子疊加”。利用這一特性，一個(gè)粒子就能夠在極短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)探尋細(xì)胞內(nèi)部多個(gè)不同地點(diǎn)，而不必“先后”探尋這些地點(diǎn)，這種方式讓粒子能夠幾乎在瞬間找到最近的通過路徑，從而極大地壓縮了通過時(shí)間，并最大限度減少了與細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)碰撞的幾率。

量子力學(xué)能夠解釋為何光合作用的效率如此之高，這一點(diǎn)讓生物學(xué)家們感到意外。德國烏爾姆大學(xué)的量子物理學(xué)家蘇珊娜·海爾加（Susana Huelga）表示：“我想這時(shí)候人們將開始意識(shí)到，某種令人興奮的事件正在發(fā)生。”

量子力學(xué)原理能夠解釋光合作用的高效率嗎?

類似量子疊加這樣的量子理學(xué)現(xiàn)象此前都是在高度受控的環(huán)境下被觀察到的。一般情況下，開展量子現(xiàn)象觀測時(shí)科學(xué)家們需要將實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度降低到極端低溫，從而極大地抑制細(xì)胞的無關(guān)活動(dòng)，以防止后者干擾到對(duì)量子行為效應(yīng)的觀察。但即便是在這樣的極端低溫條件下，物質(zhì)還必須被置于真空環(huán)境之中才能被觀察，而且前提還得是科學(xué)家們所使用的觀測設(shè)備必須是極其精確的，因?yàn)榱孔有?yīng)太過微弱，極難進(jìn)行觀測。

而那些潮濕、溫暖、生機(jī)勃勃的細(xì)胞環(huán)境則很顯然是人們最不會(huì)和量子效應(yīng)相互聯(lián)系起來的地方。然而，海爾加說：“但即便是在這里，量子效應(yīng)仍然存在。”

當(dāng)然，僅僅發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)部存在量子效應(yīng)這一事實(shí)本身并不能說明這一效應(yīng)在細(xì)胞生命現(xiàn)象中能夠發(fā)揮何種作用。有一些理論認(rèn)為量子疊加效應(yīng)在植物光合作用中起到了關(guān)鍵作用，但海爾加指出，這一效應(yīng)與實(shí)際的生物學(xué)功能之間如何建立起清晰的聯(lián)系，目前仍然缺乏相關(guān)研究。他說：“下一步要做的就是開展一些定量分析研究，以證明這一生物學(xué)過程中表現(xiàn)出來的高效率的確是與量子效應(yīng)的作用相關(guān)聯(lián)。”

鳥類遷徙機(jī)制中的量子效應(yīng)

更進(jìn)一步，量子效應(yīng)在生物學(xué)中的作用很有可能還并不僅僅局限在植物的光合作用機(jī)制之中?？茖W(xué)界從19世紀(jì)起便一直感到困惑的另外一個(gè)謎團(tuán)很有可能同樣與此有關(guān)，那就是：遷徙的鳥類如何知道飛行的路徑?

候鳥的遷徙往往要飛行上千公里的遙遠(yuǎn)距離，像知更鳥常常會(huì)飛往南歐或北非地區(qū)以躲開嚴(yán)寒的冬季。像這樣飛越陌生的地域上空長途遷徙是非常危險(xiǎn)的，如果沒有可靠的導(dǎo)航，這樣的旅程幾乎將是不可能完成的任務(wù)。一只從波蘭出發(fā)的知更鳥，如果在方向感上出現(xiàn)了差錯(cuò)，那么它可能會(huì)飛到更加寒冷的西伯利亞去，而不是溫暖的北非摩洛哥。

知更鳥是如何知道飛行的方向的?

關(guān)于這些鳥類體內(nèi)可能存在某種生物學(xué)導(dǎo)航器官的理論很難站得住腳。如果在知更鳥的大腦或者眼睛內(nèi)部深處真的存在一些極其細(xì)微的針狀磁鐵，以便探測地球的磁場實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，那么在現(xiàn)代如此發(fā)達(dá)的科技面前，這類器官應(yīng)該早就已經(jīng)被檢測到了。然而事實(shí)并非如此，科學(xué)家們至今并未在知更鳥的體內(nèi)檢測到任何可能承擔(dān)這項(xiàng)艱巨導(dǎo)航功能的器官或組織。