鳥類靠地磁場導航,竟然用到了量子力學?
2021-03-02 古地磁通訊
在施加磁場時，海拉細胞的螢光會變弱 圖片來源：池谷一博（Noboru Ikeya）和喬納森·伍德沃德（Jonathan R. Woodward）
任何學科都有它自己的適用範圍，但它和人們固有印象中的範圍並不一定一致，並且學科的適用範圍可能隨著時代的發展而產生改變。所以，聽到量子生物學時，其不可思議程度，甚至會讓有些人懷疑這是民科編出來的學科。但它的確是當前生物學的一個研究方向，甚至現在發現了越來越多生物體內存在量子效應的證據。
撰文｜王昱
審校｜吳非
早在1944年，薛丁格（就是「虐貓」那個）在他的著作《生命是什麼》（What is Life?）就曾設想過將量子力學機制應用到生物學上，用於研究遺傳系統。但半個世紀以來，相關領域始終沒有什麼顯著進展。直到近二十年，越來越多出現在生物學中的量子效應，讓量子生物學成為了一個嚴肅的科研方向。
科學家已經找到了一些生物學中的量子效應，比如某些酶催化反應中涉及量子隧穿。除了這種生物學基本反應，量子力學同樣可能出現在更直觀的例子中，比如光合作用中涉及到的波粒二象性，以及鳥類遷徙時的導航，可能依靠基於自由基對中糾纏電子自旋狀態的化學反應。
雖然我們無法感知量子效應，但人類細胞也可以對磁場做出響應。近日，東京大學的科學家發現：由於量子效應，海拉細胞內的螢光能對磁場作出反應，這項發現為「鳥類導航時用量子效應識別磁場」的假說提供了新的直接證據。由此，我們不得不考慮量子生物學的更廣泛應用。
包括鳥類、海龜、魚類在內的多種動物都會進行遷徙。對這些動物而言，地磁場是長距離遷徙過程中的可靠參照物。不過地磁場的變化非常微弱，在南北方向平均只有每千米3納特斯拉（nT）、0.009º的變化，東西方向更是要少得多。同時，地磁場很容易受到各種因素造成的30~100 nT的幹擾
圖片來源：Mouritsen, H. Nature 558, 50–59 (2018)
很難想像鳥類這種快速移動的生物，是如何用這樣的地磁場實現10~30千米精度的導航的。至少它們需要對磁場有十分準確的感應。2018年，《自然》雜誌刊登了一篇關於遷徙動物長距離導航和磁感的綜述，其中總結了三種可能的磁感產生方式，分別為電磁感應、基於磁性粒子的磁感受和基於自由基對（radical pair）的磁感受。其中，基於自由基對的磁感受與量子力學緊密相關。
隱花色素（cryptochrome）是一種在鳥類視網膜中發現的蛋白質，在上世紀90年代時就吸引過科學家的注意。在光熱等外界條件下，隱花色素共價鍵發生均裂，形成的具有不成對電子的原子或基團，就是自由基。根據泡利不相容原理，形成共價鍵的兩個電子自旋必須相反。當自由基成對產生時，它們的自旋狀態被認為保持糾纏狀態，互相關聯。而磁場的出現會讓原本處於簡併的能級分裂，產生三重態（triplet），改變能級，從而影響一些化學反應。根據上述假說，這些化學反應產生的影響傳入鳥類大腦後，經過處理，鳥類就能對磁場做出反應，從而進行導航。
圖片來源：pixabay
但這只是一種理論，需要更多的實驗驗證。
例如，在2004年發表的一項研究中，研究小組將知更鳥暴露於以模型預測的頻率和角度振蕩的磁場中，這破壞了自由基對對地磁場的敏感性，進而破壞了鳥類的導航能力。
2018年，對隱花色素Cry4的分子特性和表達模式的兩項研究表明，該蛋白可能是斑馬雀科和歐洲知更鳥的磁感受器候選體。
而在一項發表於《美國科學院院刊》的近期研究中，東京大學的科學家首次直接觀察到這個假設中的反應——並且不是在鳥類細胞中，而是人類細胞中。關鍵的隱花色素並不僅僅存在於鳥類視網膜中，它在多種生物的多類細胞中都有發現，被認為和晝夜節律的調節有關。雖然人類無法感受磁場，但人類細胞中同樣含有隱花色素，並且人類細胞中的自體螢光也會受到磁場影響。
論文作者喬納森·伍德沃德（Jonathan Woodward）說：「我們沒有向這些細胞中添加或移除任何東西。我們認為這是一個有非常有力的證據，表明我們已經觀測到了影響細胞水平化學活性的純量子力學過程。」
科學家將海拉細胞（HeLa cells）放置於藍光環境中，細胞會發出微弱的螢光。這是由於隱花色素吸收了光子之後進入高能態，內部發生電子轉移產生自由基對。自由基對在重新組合時，放出光子，就形成了螢光。
而整個過程中，由於自由基對內部的電子保持糾纏狀態，因此可以將其看作一個受磁場影響的整體。能級會受磁場影響而發生分裂，從單態變為三重態，自由基對產生的速率也就因此下降。在實驗中的表現，就是細胞的螢光變暗。
實驗向海拉細胞施加變化的磁場，實驗發現在±25 mT的磁場的影響下，細胞螢光相比沒有磁場時平均會減弱1%～2.5%。或許在人類大多數體細胞中，這些螢光難以被察覺，但是如果處於視覺敏銳的鳥類的視網膜中，就有可能讓它對磁場的變化作出反應。
伍德沃德說：「這項研究的有趣之處在於，兩個電子的自旋之間的關係可能會對生物學產生巨大的影響。」
鬼魅的量子與生物的行為之間都能產生聯繫，足以讓我們懷疑生物學還有哪些方面，是由基礎物理深處的怪異現象引起的。縱使有些違背直覺，但多學科深度融合繼續發展的腳步不會停止。
參考連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0176-1
https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_chemistry
https://www.sciencealert.com/birds-have-a-quantum-sense-and-for-the-first-time-scientists-see-it-in-action
https://www.the-scientist.com/features/quantum-biology-may-help-solve-some-of-lifes-greatest-mysteries-65873
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2018.0674
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology
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