生命由量子力學驅動

量子力學描述的是一個古怪的世界:粒子可以同時出現在兩個地方，或兩個粒子彼此相距很遠都存在著某種聯繫。多年來，生物學家小心翼翼地把量子力學引入到生物學領域，發現量子力學可以解釋一些令人驚奇的生命現象。

每年秋天，成千上萬隻知更鳥為了躲避北歐的嚴冬，開始向南遷徙，飛往溫暖的地中海沿岸。那麼知更鳥是如何在這3000多千米的遷徙路途中找到方向而不迷失呢？與其他的物種不同，候鳥、海洋動物，甚至一些昆蟲，它們不依靠於地標、洋流、太陽位置或星空等來找到方向。相反，它們利用的是地球磁場來導航。具體地說，它們能夠檢測到地球磁場方向的細微變化。這是一個十分了不起的本領，因為地球磁場的強度要比一個冰箱門上磁鐵的強度要弱100多倍。另外，知更鳥本領更大，通過一個被愛因斯坦稱為「鬼魅般的」量子效應，它們可以直接「看到」地球的磁場。

過去幾年裡，科學家針對知更鳥和它的量子「第六感」的研究，已經發展出了一個新的研究領域。這個領域把生命科學與量子力學結合了起來。這就是量子生物學。

量子力學的生物問題

眾所周知，量子力學描述的是世界在微觀尺度下所發生的事情。這個微觀尺度下的世界裡充滿了怪異的事情：一個粒子可以同時出現在多個地方，自己還可以像波一樣傳播出去，穿過一道密不透風的壁壘，甚至兩個粒子彼此相距很遠都存在著某種瞬時作用。

既然量子力學可以如此精確地描述微觀粒子的行為，那麼為什麼我們以及我們周圍的事物卻不能像微觀粒子那樣可以同時出現在兩個地方，或者穿過密不透風的壁壘，或者出現瞬時作用呢？畢竟我們以及我們周圍的事物都是由原子構成的啊！一個很明顯的不同是，量子力學只是用於單一的，或少量粒子組成的系統，而更大的系統是由數萬億個原子構成。不知怎麼的，當系統更大時，量子的怪異特性就被抹掉了，最終日常的事物去遵守我們所熟悉的經典物理學。事實上，如果我們真的要想檢測更大的對象的量子效應，我們得把它們的溫度降到接近絕對零度，並把它們放在近乎完美的真空之中（典型的例子就是超導現象）。

基於上面的觀點，量子效應應該也不會在溫暖、潮溼和混亂的細胞裡發揮作用，所以大多數生物學家直接就忽視了量子力學，繼續根據傳統的球棍模型分子結構來研究生命現象。同時，量子物理學家也一直不願意冒險進入這個複雜的生物細胞世界，畢竟在可控的粒子物理實驗室裡，他們還是有機會了解事情是怎麼一回事。

不過在70年前，獲得過諾貝爾獎的奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格在他的著作《生命是什麼？》中闡述到，生物學的某些特性必然是基於量子力學的。這本書激發了那個時候的許多科學家，包括DNA雙螺旋結構的發現者弗朗西斯·克裡克和詹姆斯·沃森。薛丁格提出生命與非生命有著一些獨特的區別。他認為最重要的是，生命可以利用量子力學中一些古怪的效應來操控細胞內的運作。

近幾十年來，隨著對生命微觀系統的研究不斷取得新進展，生物學家發現，薛丁格太具有預見力了——一些最為基本的生命活動確實是依賴於量子力學的古怪效應。下面舉三個最為典型的例子來說明。

生命活動中的量子效應

酶是生命最重要的組成部分，它們可以加速細胞中的化學反應。沒有它們的話，細胞的活動過程可能會需要數千年的時間，所以說生命離不開酶。問題是，酶是如何加速細胞中的化學反應呢？這在過去一直困擾生物學家。最近幾十年的實驗顯示，酶原來是利用量子隧道效應來加快化學反應的。從本質上講，酶可以使得電子和質子從生物分子中的一個位置消失，直接跳過了兩個位置之間的任何障礙，並立即在分子中的另一個位置出現。這就好像粒子挖了一個秘密隧道穿過去一樣，所以稱為量子隧道效應。生命離不開酶，而酶是利用量子隧道效應來發揮作用的，所以說，這種量子效應在生命活動中扮演了極為重要的角色。

另一個例子則與光合作用有關。光合作用是地球上最重要的生物化學反應，植物之所以被稱為食物鏈的生產者，是因為它們能夠利用光合作用把無機物轉變為儲存著能量的有機物，這是動物食物鏈的第一環。

植物的光合作用發生在葉綠體中。其中第一步是色素分子捕獲陽光中的一股能量，然後這個光能會在這些色素分子中迅速傳遞，並抵達葉綠體的反應中心。在反應中心那裡，光能會最終轉變為化學能並存儲在有機物分子中。光能在色素分子中傳遞非常快，在10-12秒到10-9秒內就完成了，而且能量傳輸效率極高，接近100%，高於任何人造的能量傳輸設備。另外，光能總是能快速地找到抵達反應中心的最快路線。

問題是這個路線是如何找到的呢？2007年，來自美國加州大學伯克利分校的科學家通過實驗才發現，這背後其實是一種量子力學效應。光能並不是像一個粒子那樣從一個一個色素分子跳過去，而是像波一樣傳播開來，根據量子力學，也可以說是光能可同時走各種路徑，這樣就會迅速找到最快的路徑。

第三個例子則是我們在文章開始所介紹的——候鳥以及其他種類的動物可以用地球的磁場來進行導航。針對知更鳥的研究表明，它的內部有著一個化學「指南針」，是利用被稱為量子糾纏的效應來發揮作用。量子糾纏被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」，它指的是兩個離得很遠的糾纏粒子也可以瞬時地彼此影響，與距離無關。目前科學家猜測，在知更鳥眼睛中的蛋白質裡，一對互相糾纏的電子對地球磁場方向的變化十分敏感，這樣會使得鳥能「看見」地球磁場並知道該向哪裡飛。

那麼在生命的活細胞裡，有著數萬億粒子隨機運動形成的湍流，量子效應是如何保留的呢？最近的研究表明，生命不是去避免分子的混亂運動，而是去擁抱它們。舉個形象的例子，就像一艘船的船長利用湍流、風暴和暴雨來保持他的船直立並繼續航行。

就像薛丁格預測的那樣，生命是處在符合常識的宏觀規律與怪異的量子規律之間的邊界處。可以說上面這些發現，意味著量子生物學時代的到來。