生物体内的量子世界( 二 ) 本文转自：北京邮电大学出版

【生物体内的量子世界】在我们看来，活细胞内部潮湿、温暖和忙碌的环境是最不可能出现量子事件的。“但即使是在这样的环境里，量子特性仍然活跃着。”赫尔佳说， “当然，活细胞中意外地存在着量子特性，并不代表这些特性扮演着有用角色。虽然有理论解释量子态叠加如何让光合作用加速，但是这一量子行为和生物学过程之间的联系还缺乏确凿证据。接下来的研究应该着眼于获得一些量子力学的证据，来说明进行光合作用的生物机器如此高效正是因为量子现象。”
生物学中的量子效应或许可以解释鸟类在迁徙时是如何确定飞行方向的。
生物学中的量子效应很可能会为延续至今的另一个科学之谜提供答案：鸟类在迁徙时是如何确定飞行方向的。
鸟类迁徙，例如欧洲知更鸟，总是跨越数千千米的距离，飞到欧洲南部或者非洲北部越冬。如果没有指南针，这样陌生的旅途不仅危险，甚至根本不可能。如果飞错了方向，来自波兰的知更鸟就很可能要在西伯利亚，而不是在摩洛哥过冬了。
我们很难想象生物指南针是什么样的。如果知更鸟脑中或者眼睛里具有微型针状磁性结构，生物学家一定已经找到了。但事实并非如此：承担这一功能的生物构造目前仍然是未知的。
20世纪70年代出现了另一种替代性的理论，指出鸟类很可能是通过依赖量子现象的化学指南针来辨别南北的。
英国牛津大学的化学家彼得·霍尔说，在自由基这种携带可激发单电子的分子以及被称为自旋的量子特性的帮助下，化学指南针可以发挥作用。
分子中的电子通常是成对出现的，具有相反的自旋方向，可以相互抵消。这意味着它可以自由地跟环境相互作用，包括磁场。
霍尔说，事实证明，知更鸟会因为某一特殊波段的无线电波的干扰而暂时丧失方向感，而无线电波就是一种电磁波。如果无线电波的频率恰好和电子自旋的频率相同，就会造成电子共振。这种共振和你在洗澡时哼小曲出现的情况差不多，有些音符听上去会比其他音符更加饱满。恰当的无线电波频率会让电子振动得更加激烈。
但无线电波和鸟类使用化学指南针导航又有什么关系呢？理论上讲，鸟类眼睛后方的自由基会对地球磁场产生反应，导致电子离开其在化学指南针中的原有位置，启动一系列化学反应，生成某种特殊的化学物质。只要鸟沿着相同的方向飞，这种化学物质就会不断聚集。
因此，这种化学物质的含量就是信息的来源，在鸟类神经细胞中产生信号。作为环境线索的一部分，这一信息将告诉鸟它是在飞往西伯利亚还是摩洛哥。
对无线电波的观察十分重要，因为能够干涉电子自旋的因素，至少从理论上讲也会干扰化学指南针。有时候，研究某种东西为什么失效，和研究某种东西为什么有效同样有用。
即使如此，量子指南针也只停留在想法上，还没有在自然界中找到。目前，霍尔专注于利用理论上讲应该受无线电波影响的分子来确定量子指南针的工作原理。

文章图片

文章图片

“我们用模式分子做了实验，以确定化学指南针的形成原理。”霍尔说， “这些实验帮助锁定了一些看上去适合检测磁场的分子，但是我们不清楚这些分子在鸟类体细胞中的作用是不是完全相同。”
霍尔认为，磁场指南针只是鸟类复杂的导航系统中的一部分，用来解释指南针工作方式的量子理论或许是目前的最佳答案。但要把鸟类行为模式和理论化学联系起来，还有大量工作要做。