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量子生物學（Quantum Biology）是一門試圖將量子力學的原理應用於生命系統的稀有領域。它常被認為是一個新的學科，因為近年來有研究表明，一些生物現象（比如光合作用、酶催化、鳥類遷徙或嗅覺）可能也應用到了量子力學中的相干性、隧穿或糾纏等特性。
這些重要的發現都是在過去二十年中出現的，但量子生物學的根源卻可以追溯到更早的時期。1943年，物理學家薛丁格就在都柏林三一學院的一系列演講中探討了量子力學能夠如何在生物過程中發揮作用。這被許多人視作是最早涉足量子生物學領域的嘗試之一。但據近期發表在《皇家學會學報A》上的一篇論文所述，這個領域實際上可以追溯量子力學的發展初期，也就是20世紀20年代。
論文的作者之一Johnjoe McFadden是一名微生物學家，也是英國薩裡大學量子生物學中心的主任。他說：「人們都誤以為量子生物學是一門非常新的學科，實際上它在二戰之前就已經開始了。那時候，一些量子物理學家試圖理解生命本身的特殊之處，以及量子力學是否能為這一問題提供新的思路。」 論文的另一名作者是McFadden在薩裡大學的同事Jim Al-Khalili。
○ 論文：《量子生物學的起源》。
事實上，量子生物學在過去一直缺乏可信度，直到近年出現一些有趣的研究，才表明這個想法是值得探究的。例如，越來越多的證據表明光合作用需要依賴量子效應來幫助植物將陽光轉化為燃料；候鳥可能擁有一種內部的「量子羅盤」，能幫助它們感知地球磁場從而為它們導航；量子效應也可能在人類的嗅覺中發揮作用，幫助我們區分不同的氣味。（詳見：《量子生物學：試圖揭示自然界的奧秘》）
更具爭議的是，在1989年，數學物理學家彭羅斯提出了一種名為「微管」的神秘蛋白質，他認為這種蛋白質或許可以對量子效應加以利用，並掌握著人類意識的秘密。很少有研究人員相信這是真的，但是加州大學聖巴巴拉分校的物理學家Matthew Fisher最近提出，磷原子的核自旋或許能在大腦中充當簡單的「量子比特」。換句話說，意識可以像量子計算機一樣運作。
這就是為什麼McFadden和Al-Khalili在2015年出版了他們最暢銷的科普書籍《神秘的量子生命：量子生物學時代的到來》。一篇沒有被最終收錄於書中的章節是關於這一領域的歷史起源，但這一章節的內容成為了這篇最新論文的基礎。
到了1927年，基於玻爾、海森堡、泡利、薛丁格、狄拉克、玻恩、約當、費米等人的努力，量子力學的數學框架也被建立了起來。由於量子力學在解釋原子世界取得了巨大的成功，量子物理學家為此感到興奮不已。他們走出物理實驗室，離開黑板，尋找新的有待被徵服的科學領域。當時，微生物學以及新興的遺傳學和染色體遺傳理論仍然是未被探索的領域，越來越多的生物物理學家和生物化學家開始被吸引到這些領域。
1932年，劍橋甚至有一個理論生物學俱樂部，俱樂部裡的成員包括物理學家、哲學家（如卡爾·波普爾）和生物學家。Al-Khalili說：「他們都認為生命中有一些很特別的東西，覺得物理學和化學中尚未發現的原理可能有助於找到化學和生物學之間的過渡。」當然，對他們中的許多人來說，這更多的是一種愛好，他們並沒能取得多大進展。但這些早期的討論無疑對薛丁格產生了巨大的影響。
運用物理學和化學原理來解釋生命系統這個觀點並沒有完全說服玻爾，但在1929年的北歐自然科學家會議上，他在一次演講中簡要地提到了這種可能性。其中受到啟發的就有德國物理學家約當，他也是一篇奠定了量子力學的數學基礎的論文的作者之一。在20世紀30年代末，他開始使用「量子生物學（quantumbiologie）」一詞，並在薛丁格發表《什麼是生命》的前一年發表了《物理學和有機生命的秘密》一書。在書中，他探討了原子和量子物理學是否對生命至關重要。
不幸的是，約當是納粹黨的忠實成員（儘管他為愛因斯坦這樣的猶太科學家辯護使他在納粹黨眼中是「政治上不可靠的」）。他試圖將他的量子生物學理論與納粹哲學聯繫起來——甚至聲稱一個獨裁的領導人（元首）是生命的核心原則，這樣的言論也敗壞了這些理論的名聲，從而失去了其他科學家的信任。
Al-Khalili說：「如果換做是其他物理學家，也許人們對量子生物學會更加注重，並繼續地思考其中的問題。但約當的背景使得這被視作是一個令人厭惡的研究領域。」
因此，讓量子生物學的火焰繼續燃燒的重任落到了薛丁格身上。Al-Khalili說：「在他的一本筆記本上有一張著名的圖片，上面畫著染色體的圖形，他試圖理解染色體是如何儲存信息的。他想知道是什麼讓生命處於這種高度有序的狀態。」在《什麼是生命》一書中，薛丁格認為，與無生命物質不同的是，生命物質可以受到單個量子事件的影響。某些材料當被冷卻到接近絕對零度的溫度時，就會表現出一些量子效應，例如電阻會消失的超導效應。根據薛丁格的說法，生物在室溫下也會表現出這種類型的效應，也許正是因為它有很高的有序度。
一個具體的例子是他思考了果蠅是如何通過「不斷地從環境中吸取有秩序的東西」，從而從無序中生出秩序、讓熵減少（這似乎違反了熱力學第二定律）的。根據物理學理論，在一個封閉的系統中——熵總是增加的，但是生物不是孤立的系統。果蠅或許能從無序中提取出有序，但它所處環境的熵也會相應增加。薛丁格還提出一種「非周期性晶體」可能包含了遺傳信息，以及突變是通過「量子躍遷」發生的。（所謂非周期性晶體是指一種原子非隨機排列的結構，它為細胞編碼一套穩健的「密碼」，但缺乏晶體結構的規律性。）
《什麼是生命》在當時引起了巨大的反響。克裡克和沃森稱這本書激發了他們關於DNA雙螺旋結構的思考，以及羅莎琳德·富蘭克林的X射線衍射實驗。但在那之後，量子生物學的熱度就慢慢消散了。在隨後的幾十年裡，物理學家普遍認為生命系統太過嘈雜，因此太過於脆弱的量子效應無法在像活細胞這樣複雜的環境中持續存在。
其中的問題就在於量子退相干。糾纏是量子效應的關鍵：它以一種特殊的方式將兩個或兩個以上的物體連接在一起，使它們即便相隔很遠，也能相互影響。愛因斯坦曾給它取了一個響亮的名號：「鬼魅般的超距作用」。然而哪怕是最輕微的相互作用（比如與單個光子發生碰撞）都會破壞這種糾纏。（相干性是量子態在不同時間、不同地點與自身或與其他態發生的協同運動。與相干對立的是退相干：當孤立的量子系統被打開，並活躍地與它們的原子環境發生相互作用時，它們會迅速地退相干，失去它們量子力學上的協同特性，也就是它們的相干性，並開始表現出經典的宏觀行為。退相干是阻礙建造量子計算機的重大障礙。）
Al-Khalili說：「通常我們認為，環境越複雜，就越快退相干，就像高溫物體會在低溫環境中冷卻一樣。如果不是這樣的話，我們早就造出量子計算機了。那麼，如何才能使這些微妙的量子效應維持足夠長的時間，從而讓它們發揮作用呢?」
目前的想法是，在退相干出現之前，可能存在一些量子過程可以在其中發揮作用的生命系統。這是因為這樣的系統依賴於微小尺度上（只有幾個納米）的少數分子的運動，使它們維持足夠的孤立。事實上，量子資訊理論的近期研究表明，噪聲實際上可能可以支持某些系統中的量子相干。
也許在數十億年的進化過程中，大自然已經學會了如何維持量子相干從而利用這些效應，只是我們還不知道如何做到這一點。
參考來源：
https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rspa.2018.0674
https://arstechnica.com/science/2019/01/quantum-physicists-in-the-1920s-helped-found-field-of-quantum-biology/