生物體內(nèi)的怪異量子力學(xué)：被人類忽視的微觀世界

另外一項(xiàng)與此有關(guān)的理論是在上世紀(jì)1970年代提出來的，科學(xué)家們?cè)O(shè)想，或許鳥類擁有某種基于量子效應(yīng)的化學(xué)導(dǎo)航器，能夠幫助鳥類指示北方。

皮特·霍爾（Peter Hore）是英國(guó)牛津大學(xué)的一名化學(xué)家，他表示這種化學(xué)導(dǎo)航器的運(yùn)作將需要涉及激發(fā)態(tài)的單電子，以及被稱作“自旋”的量子效應(yīng)。

分子內(nèi)部的電子一般都是成對(duì)的，它們的自旋方向相反，正好可以互相抵消，因而對(duì)外部環(huán)境不敏感。而一個(gè)單電子則自顧自地旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)效應(yīng)無法被抵消。這就意味著它將會(huì)與周圍環(huán)境之間發(fā)生相互作用——比如說地球磁場(chǎng)。

量子效應(yīng)與地球磁場(chǎng)間的相互作用可能構(gòu)成了知更鳥的導(dǎo)航器

霍爾指出，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，當(dāng)知更鳥被暴露于某種特定頻率的無線電波（電磁波的一種）環(huán)境下時(shí)，它們會(huì)暫時(shí)性地喪失方位感。如果某種無線電波的頻率剛好與電子自旋的頻率一致，這將引起電子的共振效應(yīng)，從而使電子的震動(dòng)更加明顯。

但這與鳥類使用化學(xué)導(dǎo)航器之間有什么關(guān)系呢?有的?？茖W(xué)家們認(rèn)為鳥類眼睛后方器官內(nèi)就存在這樣一些自由電子，其會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)發(fā)生感應(yīng)。地球磁場(chǎng)的作用會(huì)使電子離開其原本在化學(xué)導(dǎo)航器中的位置并開始一系列的反應(yīng)過程，產(chǎn)生某種特定的化學(xué)物質(zhì)。只要鳥類持續(xù)沿著同一方向飛行而沒有偏航，這一化學(xué)物質(zhì)的含量就會(huì)持續(xù)提升。

因此，對(duì)于鳥類的身體而言，只需要檢測(cè)體內(nèi)這種化學(xué)物質(zhì)的含量就能夠獲取有關(guān)方向正確與否，有否出現(xiàn)偏航的信息。這些信息會(huì)被釋放，并激發(fā)鳥類神經(jīng)系統(tǒng)做出相應(yīng)反應(yīng)，鳥類將會(huì)知道自己究竟是在朝著摩洛哥還是西伯利亞方向飛行。

無線電波實(shí)驗(yàn)具有重要意義，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在能夠大致預(yù)期，任何東西，只要能夠與自由電子自旋之間發(fā)生相互干擾，應(yīng)該就能，至少能夠部分地影響鳥類化學(xué)導(dǎo)航器的工作。這樣一來，我們也就能夠解釋有些時(shí)候有些鳥類突然無法正確分辨方向的現(xiàn)象。

但即便如此，這一理論到目前為止也仍然僅僅是理論，人們還遠(yuǎn)未能了解其本質(zhì)?；魻栆恢痹谶\(yùn)用各種理論上能夠承擔(dān)這項(xiàng)工作的分子類型開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，希望能夠揭開鳥類量子化學(xué)導(dǎo)航器的秘密。

這種化學(xué)導(dǎo)航器將能夠告訴鳥類，它的飛行方向是否正確

霍爾表示：“我們已經(jīng)利用一些化合物開展了一些實(shí)驗(yàn)，以便證明化學(xué)導(dǎo)航器在原理上是可能的。”這些工作目前已經(jīng)讓他們?nèi)Χ艘恍┖蜻x的分子類型，這些分子類型似乎有可能對(duì)地球磁場(chǎng)探測(cè)產(chǎn)生作用?；魻栒f：“我們目前無法確定的一點(diǎn)是，是否在鳥類的細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)是與實(shí)驗(yàn)室中完全一樣。”

霍爾表示，磁場(chǎng)導(dǎo)航的理論還只不過是鳥類復(fù)雜而研究甚少的導(dǎo)航系統(tǒng)中的一小部分。運(yùn)用量子理論解釋這種導(dǎo)航機(jī)制是目前效果最佳的嘗試，但要想真正將鳥類的行為模式與理論化學(xué)原理相聯(lián)系，仍然需要做很多工作。

我們嗅覺背后的量子效應(yīng)

還有一個(gè)領(lǐng)域很有可能有望幫助科學(xué)家們揭開量子生物學(xué)的奧秘，那就是氣味的科學(xué)。

我們的鼻子是如何能夠區(qū)分不同氣味的?傳統(tǒng)的嗅覺理論難以解釋我們的鼻子如何能夠辨別各種不同的氣味大分子——當(dāng)一些氣味分子進(jìn)入我們的鼻腔，現(xiàn)在科學(xué)界仍然不清楚之后究竟發(fā)生了什么。但不知怎的，這些分子與我們鼻腔內(nèi)部的一些氣味感受器之間發(fā)生了相互作用，并讓我們能夠識(shí)別這些氣味。

為什么我們能夠嗅到氣味?

一位經(jīng)過訓(xùn)練的專業(yè)人士能夠分辨數(shù)千種不同的氣味。但氣味分子是如何表達(dá)不同氣味的，這一點(diǎn)目前仍然不太清楚。有很多分子在外觀上幾乎是完全一樣的，只是在周圍多了一個(gè)或兩個(gè)原子，結(jié)果它們卻能夠表現(xiàn)出完全不同的氣味。香草素聞起來有香草的味道，但與之結(jié)構(gòu)非常相似的丁香油酚聞上去卻是一股丁香的味道。有些分子的結(jié)構(gòu)相互之間互為鏡像，就像你的左右手那樣，同樣表現(xiàn)出不同的氣味。但同樣的，有些結(jié)構(gòu)非常不同的分子聞上去的氣味卻幾乎完全一樣。

盧卡·圖靈（Luca Turin）是希臘BSRC亞歷山大·弗萊明研究院的一名化學(xué)家，他長(zhǎng)期致力于研究分子的何種性質(zhì)決定其所表現(xiàn)出的氣味的相關(guān)課題。他說：“在嗅覺科學(xué)深處有某些非常非常特別的東西，簡(jiǎn)單來說就是，我們不知怎的能夠分析不同分子和原子的能力，與我們自認(rèn)為知曉的分子識(shí)別模式不相符合。”他認(rèn)為，光憑分子結(jié)構(gòu)這一點(diǎn)還無法確定其表現(xiàn)出來的氣味，與此相反，他認(rèn)為可能是分子內(nèi)部的一些化學(xué)鍵的性質(zhì)能夠提供有關(guān)其氣味類型的關(guān)鍵信息。

根據(jù)圖靈關(guān)于氣味和嗅覺的量子理論，當(dāng)一個(gè)氣味分子進(jìn)入人的鼻腔并與一個(gè)氣味接收器相結(jié)合，在接收器內(nèi)部就會(huì)發(fā)生一種所謂的“量子隧穿效應(yīng)”。

在量子隧穿效應(yīng)中，一個(gè)電子可以穿過材料，從A點(diǎn)抵達(dá)B點(diǎn)，在此過程中它似乎能夠繞開中間的材料而不受阻擋。和鳥類的的量子導(dǎo)航器相似，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于共振現(xiàn)象。圖靈認(rèn)為，在氣味分子中的某個(gè)特定化學(xué)鍵能夠在特定能量作用下發(fā)生共振，從而幫助在接收器分子一側(cè)的電子迅速移動(dòng)到另一側(cè)。只有當(dāng)氣味分子中的化學(xué)鍵在合適的能級(jí)狀態(tài)下發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，這樣的隧穿效應(yīng)才能發(fā)生。

當(dāng)接收器內(nèi)部電子遷移發(fā)生時(shí)，將會(huì)同時(shí)引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，在此過程中將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，告訴大腦鼻腔內(nèi)的氣味接收器接觸到了某種特定種類的氣味分子。圖靈認(rèn)為，這一過程對(duì)于我們的嗅覺至關(guān)重要，而這一過程從本質(zhì)上來講是基于量子效應(yīng)的。他說：“嗅覺的發(fā)生需要牽扯到氣味分子的化學(xué)組成。而嗅覺過程的解釋能夠在量子隧穿效應(yīng)中得到很好的解釋。”

硼烷聞上去的味道和臭雞蛋很像

關(guān)于圖靈的這一理論，迄今最強(qiáng)有力的證據(jù)來自一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，即有兩種在結(jié)構(gòu)上極為不同的分子，只要它們擁有相似能級(jí)性質(zhì)的化學(xué)鍵，那么它們所表現(xiàn)出來的味道就會(huì)非常相近。

圖靈預(yù)測(cè)，一種名為“硼烷”的較為罕見的化學(xué)物質(zhì)，其氣味應(yīng)該會(huì)和硫磺相似，或者說聞起來應(yīng)該會(huì)有某種類似臭雞蛋的味道。圖靈此前還從未接觸過這種物質(zhì)，因此這種預(yù)言看起來更像是一種賭博。

但他的預(yù)測(cè)是正確的。圖靈說，這對(duì)他而言就像一根鏈條，將兩者聯(lián)系在了一起。他說：“硼烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)與硫磺完全不同，它們兩者之間的唯一共同點(diǎn)就是它們都擁有相近的共振頻率。實(shí)際上，它們也是自然界中目前已知唯一兩種聞上去是硫磺味道的化學(xué)物質(zhì)。”

盡管對(duì)于該理論而言，這項(xiàng)預(yù)測(cè)本身是巨大的成功，但還不能算是最終的證明。在理想情況下，圖靈希望能夠完全理解鼻腔內(nèi)接收器如何通過量子效應(yīng)辨別不同氣味分子的具體機(jī)制。他表示，目前科學(xué)家們已經(jīng)非常接近于開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)了。他說：“我并不想說喪氣話，但我們的確正在開展相關(guān)工作。我想我們會(huì)有辦法做下去的，或許我們?cè)诮酉聛韼讉€(gè)月里就會(huì)取得進(jìn)展。”

但不管大自然是否真的會(huì)借助量子效應(yīng)幫助生命體從陽光中汲取能量，分辨南北方向，或是區(qū)分不同的味道，原子世界的奇異特性仍將告訴我們?cè)S多有關(guān)細(xì)胞內(nèi)部精妙結(jié)構(gòu)的信息。