文/王昱

圖/東方IC

任何學(xué)科都有它自己的適用范圍，但它和人們固有印象中的范圍并不一定一致，并且學(xué)科的適用范圍可能隨著時(shí)代的發(fā)展而產(chǎn)生改變。所以，聽到量子生物學(xué)時(shí)，其不可思議程度，甚至?xí)層行┤藨岩蛇@是某些人編出來的學(xué)科。但它的確是當(dāng)前生物學(xué)的一個(gè)研究方向，甚至現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了越來越多生物體內(nèi)存在量子效應(yīng)的證據(jù)。

早在1944年，薛定諤在他的著作《生命是什么》中就曾設(shè)想過將量子力學(xué)機(jī)制應(yīng)用到生物學(xué)上，用于研究遺傳系統(tǒng)。但半個(gè)多世紀(jì)以來，相關(guān)領(lǐng)域始終沒有什么顯著進(jìn)展。直到近20年，越來越多出現(xiàn)在生物學(xué)中的量子效應(yīng)，讓量子生物學(xué)成為了一個(gè)嚴(yán)肅的科研方向。

科學(xué)家已經(jīng)找到了一些生物學(xué)中的量子效應(yīng)，比如某些酶催化反應(yīng)中涉及量子隧穿。除了這種生物學(xué)基本反應(yīng)，量子力學(xué)同樣可能出現(xiàn)在更直觀的例子中，比如光合作用中涉及的波粒二象性，以及鳥類遷徙時(shí)的導(dǎo)航，可能依靠基于自由基對(duì)中糾纏電子自旋狀態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。

雖然我們無法感知量子效應(yīng)，但人類細(xì)胞也可以對(duì)磁場(chǎng)作出響應(yīng)。近日，東京大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：由于量子效應(yīng)，海拉細(xì)胞內(nèi)的熒光能對(duì)磁場(chǎng)作出反應(yīng)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為“鳥類導(dǎo)航時(shí)用量子效應(yīng)識(shí)別磁場(chǎng)”的假說提供了新的直接證據(jù)。由此，我們不得不考慮量子生物學(xué)的更廣

從生物導(dǎo)航到量子力學(xué)

包括鳥類、海龜、魚類在內(nèi)的多種動(dòng)物都會(huì)進(jìn)行遷徙。對(duì)這些動(dòng)物而言，地磁場(chǎng)是長(zhǎng)距離遷徙過程中的可靠參照物。不過地磁場(chǎng)的變化非常微弱，在南北方向平均只有每千米3納特斯拉（nT）的變化，東西方向更是要少得多。同時(shí)，地磁場(chǎng)很容易受到各種因素造成的30 ～100 nT 的干擾。

很難想象鳥類這種快速移動(dòng)的生物，是如何用這樣的地磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)10~30千米精度的導(dǎo)航的。至少它們需要對(duì)磁場(chǎng)有十分準(zhǔn)確的感應(yīng)。2018年，《自然》雜志刊登了一篇關(guān)于遷徙動(dòng)物長(zhǎng)距離導(dǎo)航和磁感的綜述，其中總結(jié)了3種可能的磁感產(chǎn)生方式，分別為電磁感應(yīng)、基于磁性粒子的磁感受和基于自由基對(duì)的磁感受。其中，基于自由基對(duì)的磁感受與量子力學(xué)緊密相關(guān)。

隱花色素是一種在鳥類視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，在20世紀(jì)90年代時(shí)就引起過科學(xué)家的注意。在光熱等外界條件下，隱花色素共價(jià)鍵發(fā)生均裂，形成的具有不成對(duì)電子的原子或基團(tuán)，就是自由基。根據(jù)泡利不相容原理，形成共價(jià)鍵的兩個(gè)電子自旋必須相反。當(dāng)自由基成對(duì)產(chǎn)生時(shí)，它們的自旋狀態(tài)被認(rèn)為保持糾纏狀態(tài)，互相關(guān)聯(lián)。而磁場(chǎng)的出現(xiàn)會(huì)讓原本處于簡(jiǎn)并的能級(jí)分裂，產(chǎn)生三重態(tài)，改變能級(jí)，從而影響一些化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)上述假說，這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的影響傳入鳥類大腦后，經(jīng)過處理，

改變的熒光

但這只是一種理論，需要更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

例如，在2004年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究小組將知更鳥暴露于以模型預(yù)測(cè)的頻率和角度振蕩的磁場(chǎng)中，這破壞了自由基對(duì)對(duì)地磁場(chǎng)的敏感性，進(jìn)而破壞了鳥類的導(dǎo)航能力。

2018年，對(duì)隱花色素Cry4的分子特性和表達(dá)模式的兩項(xiàng)研究表明，該蛋白可能是斑馬雀科和歐洲知更鳥的磁感受器候選體。

而在一項(xiàng)發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》的近期研究中，東京大學(xué)的科學(xué)家首次直接觀察到這個(gè)假設(shè)中的反應(yīng)——并且不是在鳥類細(xì)胞中，而是人類細(xì)胞中。關(guān)鍵的隱花色素并不僅僅存在于鳥類視網(wǎng)膜中，它在多種生物的多類細(xì)胞中都有發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為和晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)有關(guān)。雖然人類無法感受磁場(chǎng)，但人類細(xì)胞中同樣含有隱花色素，并且人類細(xì)胞中的自體熒光也會(huì)受到磁場(chǎng)影響。

論文作者喬納森·伍德沃德說：“我們沒有向這些細(xì)胞中添加或移除任何東西。我們認(rèn)為這是一個(gè)非常有力的證據(jù)，表明我們已經(jīng)觀測(cè)到了影響細(xì)胞水平化學(xué)活性的純量子力學(xué)過程?！?/p>

科學(xué)家將海拉細(xì)胞（是一種具有無限增殖能力的細(xì)胞。在醫(yī)學(xué)界，海拉細(xì)胞被廣泛應(yīng)用于腫瘤研究、生物實(shí)驗(yàn)或者細(xì)胞培養(yǎng)，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)研究中非常重要的工具）放置于藍(lán)光環(huán)境中，細(xì)胞會(huì)發(fā)出微弱的熒光。這是由于隱花色素吸收了光子之后進(jìn)入高能態(tài)，內(nèi)部發(fā)生電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基對(duì)。自由基對(duì)在重新組合時(shí)，放出光子，就形成了熒光。

而整個(gè)過程中，由于自由基對(duì)內(nèi)部的電子保持糾纏狀態(tài)，因此可以將其看作一個(gè)受磁場(chǎng)影響的整體。能級(jí)會(huì)受磁場(chǎng)影響而發(fā)生分裂，從單態(tài)變?yōu)槿貞B(tài)，自由基對(duì)產(chǎn)生的速率也就因此下降。在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，就是細(xì)胞的熒光變暗。

實(shí)驗(yàn)向海拉細(xì)胞施加變化的磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在±25毫特斯拉（mT）的磁場(chǎng)的影響下，細(xì)胞熒光相比沒有磁場(chǎng)時(shí)平均會(huì)減弱1%～2.5%?；蛟S在人類大多數(shù)體細(xì)胞中，這些熒光難以被察覺，但是如果處于視覺敏銳的鳥類的視網(wǎng)膜中，就有可能讓它對(duì)磁場(chǎng)的變化作出反應(yīng)。

伍德沃德說：“這項(xiàng)研究的有趣之處在于，兩個(gè)電子的自旋之間的關(guān)系可能會(huì)對(duì)生物學(xué)產(chǎn)生巨大的影響?！?/p>

鬼魅的量子與生物的行為之間都能產(chǎn)生聯(lián)系，足以讓我們懷疑生物學(xué)還有一些方面是由基礎(chǔ)物理深處的怪異現(xiàn)象引起的。縱使有些違背直覺，但多學(xué)科深度融合繼續(xù)發(fā)展的腳步不會(huì)停止。（據(jù)《環(huán)球科學(xué)》）■