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不懂量子力学?没关系!你的身体懂,植物懂,鸟类也懂

科普中国网    2021-07-08 14:39

你或许不懂量子力学,但你的身体懂。当你的鼻子闻气味时,可能已经不知不觉用上了量子力学。

不只是你,植物在阳光下进行光合作用,候鸟循着地球磁场长途迁徙,DNA发生突变,酶催化化学反应,这些过程都用到了量子力学。甚至有科学家认为,人类的大脑就像是一台量子计算机,神经元利用量子比特来编码信息。

量子现象在生命世界真的无处不在吗?事情或许真是这样。

生命系统也存在量子效应?

我们生活在一个经典世界中,没有什么东西可以同时出现在两个地方;如果速度不够快,滚动的小球就无法冲上小山坡;物体运动的速度永远不可能超过光速。

但在诡异的量子世界,这些日常经验似乎都被打破:

光子、电子这样的微观粒子不仅具有粒子的性质,也具有波的性质,它们可以同时处于两种不同状态,比如同时穿过两道狭缝——这被称为量子相干性;可以像幽灵般穿过原本看似不可穿透的能量壁垒——所谓的量子隧穿效应;两个纠缠的粒子无论相隔多远,都可以瞬间感知到彼此的状态——也就是发生量子纠缠。

量子力学准确地描述了原子、分子的行为,当这些原子、分子聚集成宏观世界复杂的生命体时,量子效应会丢失吗,还是会跨越尺度延伸出去?在生命系统中也存在量子效应吗?

长久以来,科学家们都认为,量子效应只有在尺度非常小、温度非常低的极端环境中才能表现出来,在温暖湿润的生命系统中,大量粒子的集体运动会产生嘈杂的背景噪音,淹没任何古怪的量子效应。

但越来越多的证据表明,量子现象在生命系统中普遍存在。植物的光合作用、迁徙的候鸟靠磁场导航、人类闻到不同气味,都要依靠量子力学。

光合作用中的量子相干性

在光合作用中,光子会激发叶绿素分子中的电子,产生一种名为激子的准粒子。接下来,激子从一个叶绿素分子转移到下一个,直到抵达一个叫做反应中心的地方,将能量转化为可供植物代谢的化学能。

在植物体内,这个转移过程持续时间极短,效率接近100%。如果激子只是在叶绿素分子间随机游走,最终误打误撞抵达反应中心,就会因为绕路丢失掉很多能量,显然不是一种高效的行为。

2007年发表在《自然》杂志上的一项研究发现,激子可能是像波一样传播,可以同时感知所有能抵达反应中心的路径,并选择最高效的那条,也就是说,激子在叶绿素分子间的转移过程是量子相干的,从而帮助提高植物进行光合作用的效率。

迁徙候鸟与量子纠缠

欧亚鸲(qú),俗称知更鸟,是一种习惯在夜间迁徙的候鸟。每年冬天,它们都会通过磁感知向南飞行数千公里,仿佛自带指南针般不会迷路。地球磁场非常微弱,比冰箱贴还弱100倍,这些候鸟怎么会具有如此敏锐的磁感知能力呢?

研究发现,随着迁徙季节的临近,欧亚鸲视网膜中的隐花色素CRY4的表达水平会上升,在非迁徙鸟类中则不存在这种现象,因此科学家猜测,候鸟的磁感知能力很可能与隐花色素有关。

隐花色素是一种光敏蛋白质,吸收光子后会发生化学反应,产生自由基对。自由基对由两个自由基组成,每个自由基包含奇数个电子。这些电子彼此之间可以产生量子纠缠,并对地球磁场的方向很敏感。

在2021年6月23日发表于《自然》杂志的一项最新研究中,科学家第一次成功获得了欧亚鸲的隐花色素蛋白CRY4,证明它确实具有明显的磁敏感性。施加磁场后,隐花色素蛋白在蓝光照射下会发生化学反应,使得具有磁敏性的自由基对增多,从而帮助鸟类感知身体相对于地球磁场的方向。

人类嗅觉与量子隧穿

人类的鼻子可以分辨超过一万种不同气味,这到底是如何做到的呢?很可能和量子隧穿有关。

气味分子从空气中进入鼻孔,与嗅觉神经元上的受体结合,让我们闻到不同气味。可是研究发现,像硼烷和硫磺这样形状不同的分子,却同样散发出腐烂鸡蛋的味道,而一些形状几乎相同的分子则有着完全不同的气味。

如果嗅觉受体只是对气味分子的形状敏感,似乎不足以解释嗅觉的强大分辨本领。因此有化学家猜测,嗅觉对分子的化学键振动频率也很敏感。当气味分子和受体结合时,如果它以某种频率振动,分子中的一个电子就会通过量子隧穿抵达受体的另一侧,通过这个电子转移过程,大脑就会接收到信号,判断出这是什么分子。

早在1943年,物理学家薛定谔就提出,量子力学或许在生命当中发挥着作用。但直到今天,对于生命系统中的量子现象,我们仍然所知甚少。

量子效应为何可以在温暖嘈杂的生命系统中存在?这一切又是如何发生的?这些问题我们并没有答案。但是在数十亿年的生命演化史中,大自然似乎早已洞察先机,将量子的奥秘注入生命当中。

 

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责任编辑: 4126TJ

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人家也是有底线的啦~
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