量子生物学能揭示生命的巨大奥秘吗？
酶催化反应的神速是因为搭乘了“量子隧穿”的快车吗？光合作用中的能量转移效率与“量子相干性”相干吗？动物感知磁场是纠缠的电子感知到了磁场朝向的变化？当我们闻到气味时，不仅是“闻到”了气味分子的形状，而且还“嗅到”了它们化学键的振动频率？科学家在诸多生命过程中都找到了量子效应的证据。温暖嘈杂的生命没有完全淹没微观世界的量子力学现象——愈反直觉，愈迷人。
撰文 | Catherine Offord
译者 | 韩若冰
在谢菲尔德大学的一个物理实验室中，几百个光合细菌被置于两面相距不到1微米的镜子之间。物理学家David Coles和他的同事正在用白光照射这一充满微生物的空隙，他们可以通过改变镜子的间距来调节光在细胞周围弹射的方式。根据2017年发表的结果，这种复杂的设置可以使光子与少数细胞中的光合作用结构发生物理相互作用，这一作用通过微调实验装置就可以改变。
研究人员可以如此控制细胞与光的相互作用，这本身就是一项成就。然而，对这一发现更加惊人的阐释出现在第二年。Coles和几位合作者在重新分析数据时发现，细菌和光子之间相互作用的性质比原始分析中提出的更为古怪。两篇论文的共同作者、牛津大学物理学家Vlatko Vedral说：“一个似乎无可避免的结论是，（我们）间接真正目睹的是量子纠缠。”
量子纠缠是指两个或多个粒子互相依存的状态，无论它们之间的距离有多远。这是亚原子图景中诸多反直觉的特性之一。在这幅图景中，电子和光子这样的粒子同时表现为粒子和波，同时占据多重位置和状态，并能越过看似不可穿透的势垒。量子力学复杂的数学语言描述了这种尺度上的过程，这样的过程也常常产生看似违反常识的效应。正是使用这种语言，Vedral和同事们在谢菲尔德实验的数据中检测到了光子和细菌之间纠缠的特征。
研究人员已经多次在无生命物体中证明了纠缠的存在：2017年有科学家报告称，他们设法保持了相隔1200公里的光子对之间的相互依存性。但如果Vedral和同事们的假设是正确的，也就是说，如果量子纠缠现象也存在于细菌中的话，那么这项研究可能标志着人们第一次在生物体内观察到纠缠，并且表明量子效应在生物学中并非像过去认为的那样罕见，从而为原本就已存在的证据添砖加瓦。
在生命系统的混乱世界中可能观察到量子现象，这在历史上一直是一种边缘的观念。虽然量子理论准确地描述了构成所有物质的单个粒子的行为，但长久以来科学家们认为，数十亿粒子在环境温度下的集体运动会淹没任何古怪的量子效应，并且大量粒子的集体行为可以通过牛顿等人确立的更为人熟知的经典力学得到更好的解释。的确，量子现象的研究者通常会仅仅为了消除环境噪声，而在接近绝对零度的温度下隔离粒子——这一温度下几乎所有的粒子运动都停止了。
萨里大学理论物理学家Jim Al-Khalili说：“环境越温暖，背景噪音就越嘈杂，这些量子效应也就会越快消失。” Al-Khalili是2014年一本名叫《神秘的量子生命》（ Life on the Edge）的书的共同作者，这本书将量子生物学呈现给了普通读者。“所以说量子效应竟然在细胞内部持续存在，这简直是荒谬、反直觉的。然而，如果它们确实存在——有很多证据显示在特定现象中量子效应是存在的——那么生命一定在以一种特别的方式在运作。”
支持Al-Khalili和Vedral的科学家群体正在不断壮大。他们主张量子世界的效应可能会是阐释一些生物学中最大的谜团的核心所在，甚至可能受制于自然选择，这些谜团涉及到酶催化效率、鸟类导航，乃至人的意识。
牛津大学的物理学家Chiara Marletto与Coles和Vedral合作研究关于细菌-量子纠缠的论文，她说：“整个领域都试图证明这一点，即不仅量子理论适用于这些生物系统，而且测试这些系统是否利用量子物理来发挥其功能也是有可能的。”
到20世纪80年代中期，加州大学伯克利分校的生物化学家Judith Klinman确信，有关酶催化的传统解释是不完整的。当代理论认为，在形状匹配的基础上，酶和底物按照经典力学规律发生相互作用，将底物聚集在其活性位点，并将分子结构的过渡态稳定下来，从而将反应速率增加到万亿倍或更高。然而Klinman从酵母中提取酶进行体外实验后，得到了奇怪的结果。
在催化苄醇氧化成苯甲醛时，醇脱氢酶会将氢原子从一个位置移到另一个位置。出乎意料的是，当Klinman和她的同事用较重的同位素氘和氚替换底物中的特定氢原子时，反应急剧减慢。虽然酶催化的经典阐释可以包容适度的同位素效应，但无法说明Klinman观察到的反应速率大幅度下降的原因。她说：“我们所观察到的现象与现有理论存在偏离。”
她的团队一直在探究，后来在1989年，他们以流传于酶研究圈子的想法为基础，发表了一种解释：催化反应涉及一种称为隧穿效应的量子“戏法”。Al-Khalili解释说，量子隧穿好比踢足球穿过一座山，这里的足球就是电子或其他粒子，而山就是阻碍反应发生的能量势垒。“在经典世界，你需要狠踢一脚才能让球翻过山到达另一边。而在量子世界，你无需这么做。球可以升到半路，凭空消失，再从另一边出现。”
传统的酶催化理论认为，蛋白质通过降低活化能来加速反应。但是一些研究人员认为，一种被称为隧穿效应的量子“戏法”也发挥着作用，并且酶活性位点的结构可能已经进化到能够利用这种现象。| 图片来源： LUCY READING-IKKANDA
图中横轴表示反应过程，纵轴表示能量。
曲线A：能量势垒（称为活化能）阻止许多化学反应自发地进行。
曲线B：酶稳定了允许反应（例如分子内氢原子的运动）发生的中间或“过渡”状态，从而降低了该势垒。
曲线C：在量子隧穿过程中，粒子会以一定的概率瞬间穿过势垒。如果分子内的粒子通过量子隧穿转移，则可以绕过中间态。
Klinman的团队在那篇文章和后来的论文中提出，在苄醇氧化和许多其他反应的催化过程中，氢转移会在隧穿效应的帮助下进行。这有助于解释为什么氘和氚常常会阻碍反应发生——更重的粒子更难以产生隧穿效应，从而也会使同分子中的其他粒子更难产生隧穿效应。Al-Khalili 说，Klinman小组观察到的效应此后被其他实验室在多种酶中进行了复制，这些效应为生物系统中的量子效应“假说”提供了最强有力的证据。
虽然现在人们普遍认为生物催化中会发生隧穿效应，但对于其重要程度以及是否可能受自然选择影响，研究者之间出现了分歧。例如，科罗拉多州立大学的化学家Richard Finke表明，无论酶是否存在，一些反应都会表现出相似程度的同位素效应，这表明酶不太可能经过了特别的进化适应来增强其催化的反应中的隧穿效应。目前还不清楚隧穿效应能在多大程度上加速反应；一些研究人员认为，在主要由经典力学支配的过程中，这种影响通常只能产生微小的推动作用。
Klinman认为，酶的隧穿效应要远为根本。她表示，酶可以创造非常精确和紧凑的活性位点结构以促进隧穿效应。例如在催化反应期间，酶会改变构象以使氢供体和受体位点足够接近——相距约0.27纳米以内——以促进隧穿效应。
为了探究这个想法，她的团队改变酶的活性位点，并观察反应速率和同位素效应如何在体外发生变化。例如在今年早些时候，该团队创造了一种底物略微错位的大豆脂氧合酶，这种错位应该不利于氢的隧穿效应。与野生型相比，突变酶的催化能力低了四个数量级，并且对用氘取代氢更加敏感。
研究人员仍在量化隧穿效应在催化中的作用，Klinman强调使用多种方法（包括诱变和计算建模）的重要性，以确切了解蛋白质如何加速反应。实验性的酶进化，即研究者反复选择蛋白质以提高其催化能力，也可以为隧穿效应的贡献提供见解，尽管近期的相关尝试中至少有一项尚无定论。去年，一个研究催化氢转移反应的酶的团队报告说，在整个进化过程中，量子隧穿效应“并未观察到有显著的变化”。
这场辩论呼应了另一场正在进行的对话，那就是关于量子现象对于地球上另一种重要的生物学过程——光合作用——的功能上的重要性。正当Vedral和同事探究细菌的光合作用结构是否会与光子纠缠时，其他团队也在研究，另一种量子效应会如何有助于将光合能量转移的效率最大化。
在植物和某些微生物的光捕获反应期间，光子激发叶绿素分子中包含的电子，以产生一种称为激子的实体。这些激子继而从一个叶绿素分子转移到下一个，直到抵达反应中心，也就是一簇可以捕获和贮存其能量的蛋白质。
在植物和某些微生物的光捕获反应期间，光子激发叶绿素分子中包含的电子，以产生被称为激子（Exciton）的结构——这是一种包含激发态电子及其留下的带正电荷的空穴的实体。这个激子继而从一个叶绿素分子转移到下一个，直到抵达被称为反应中心（Reaction center）的蛋白复合体。根据该过程的传统或“非相干”模型，激子到反应中心的路径或多或少是随机的。因为在转移过程中能量会丢失，所以这样的路径说到底是不经济的。| 图片来源： LUCY READING-IKKANDA
激子在转移时会失去能量，这意味着它们在叶绿素分子之间绕路越多，到达反应中心的能量就越少。数十年前物理学家曾提出，如果转移过程是量子相干的，那么这种浪费就可能被逆转。也就是说，如果激子能以波而非粒子的形式运动，它们就可以同时尝试所有能抵达反应中心的路径，并选取最高效的一条。
与传统模型相反，如果能量转移过程是“量子相干的”，激子像波一样传播，它就可以同时探索所有可能的路径，并且只采用最高效的一条。| 图片来源： LUCY READING-IKKANDA
2007年，由加州大学伯克利分校的化学家Graham Fleming和圣路易斯华盛顿大学的Robert Blankenship带领的团队称，在从绿色硫细菌中提取的叶绿素分子复合物中，他们已经观察到量子相干性。硫细菌是经常发现于光照不足的深海中的光合微生物。研究者们利用了一项技术分析被样品吸收和释放的能量，并在冷却到77开尔文（约-196℃）的复合物中检测到了被称为量子节拍（quantum beating）的信号，他们将这种振荡视为量子相干性的证据。在随后的几年间，他们和其他研究小组在环境温度下复制了该结果，并把叶绿素复合物的发现从海藻扩展到菠菜。
这些结果是否反映出光合作用的能量转移中存在有意义的量子贡献，这尚待讨论。例如在2017年，德国的研究人员再次研究了绿色硫细菌，并称其相干性效应持续了不到60飞秒（1飞秒=10-15秒），这过于短暂，无法帮助能量转移到反应中心。但是在去年，另一个团队认为叶绿素复合体中存在多种类型的相干性，其中一些可以持续足够长的时间来协助光合作用。另一些科学家提示说，通过产生不同形式的关键性光捕获蛋白质，一些细菌可以切换相干性效应的开关状态。这些发现重新引发了学界的推测，或许正如酶一样，光合作用机制也可能进化到了利用量子现象的程度。
Blankenship称，光合作用中的相干性效应如今已经是广为接受的现象。正如酶的隧穿效应，“目前最关键的讨论是，这些效应是否真的对系统的有效性或其他方面有影响，是否能产生真正的生物学益处。我认为这都还在讨论之中。”
每年冬天，欧洲大陆北部的知更鸟都会向南迁徙数百公里到达地中海。这是一种通过磁感知——具体来说就是鸟类探知地磁方向的能力——实现的导航壮举。 然而解释这种第六感的早期尝试，包括鸟类依赖内部磁铁矿晶体的提议，都未能得到实验的支持。
到上世纪90年代末期，这个问题引起了Thorsten Ritz的注意。当时他是伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的一名研究生，在已故的生物物理学家Klaus Schulten的指导下做光合作用中量子效应的研究。Ritz说，他对隐花色素尤为感兴趣，这是一种在鸟类视网膜中发现的光敏蛋白质，如今成为在磁感知中发挥作用的“良好证据”。此后Ritz搬到了加州大学欧文分校。因此在2000年，专注于此种蛋白并基于Schulten的前期理论研究，Ritz、Schulten和另一个同事发表了磁感知如何运作的解释，后来被称为自由基对模型（radical-pair model）。
研究人员提出，隐花色素蛋白中的反应会产生一对自由基，每个分子各自拥有一个孤电子。这些电子彼此之间可以产生量子纠缠，它们的行为对地磁之类的弱磁场的朝向很敏感。自由基相对于磁场的朝向变化理论上能够触发化学反应，使得信息能够以某种方式传递至大脑。
图中从左到右表示：鸟类视网膜，隐花色素蛋白，带孤电子的自由基对； 单重态与三重态及其产物，神经元，给大脑的神经信号。根据鸟类磁感知的自由基对模型，在鸟类和其他动物的视网膜中发现的隐花色素可能正是磁感受器，它通过改变其中某些电子的自旋状态来检测磁场的方向。| 图片来源： LUCY READING-IKKANDA
隐花色素蛋白内的反应会产生一对分子，每个分子都有一个孤电子。这些电子可以相互纠缠，并占据两种状态中的一种：一种是“单重态”，意味着一个电子的自旋方向与另一个的相关联，二者的自旋是反平行的；另一种是“三重态”，两个电子倾向于具有接近平行的自旋。
自由基对在这两种状态之间振荡，在哪一种状态中发现它的概率受磁场方向影响。如果自由基对的单重态和三重态与不同的生化反应相关联，那么，那些反应产物的多少就可以提供关于磁场方向的信息。
如果这些产物进一步影响鸟类视网膜的神经信号，那么这种机制就可以为磁感知提供基础。
该假设产生了一些预测，Ritz继续与生物学家Roswitha和Wolfgang Wiltschko合作探究，后两位率先描述了知更鸟的磁感知现象。例如在2004年发表的一项研究中，该团队将知更鸟置于以一定频率和角度振荡的磁场中，据模型预测，这会扰乱自由基对对地磁场的敏感性，从而有效破坏鸟类的导航能力。
自此该观点开始得到越来越多的理论支撑。2018年，两项针对隐花色素Cry4的分子特性和表达模式的研究表明，该蛋白质可能正是斑马鱼和欧洲知更鸟体内的磁感受器。
我们还需要更多的研究来确定鸟类的磁感知是否真的按照这种机制运行，并揭示自由基对电子之间的纠缠是否重要。Ritz称，科学家也并未完全理解隐花色素如何与大脑沟通磁场信息。与此同时，他的团队正专注于诱变实验，这可能有助于揭示隐花色素的磁敏感性。去年秋天，牛津大学的化学家Peter Hore和德国奥登堡大学的生物学家Henrik Mouritsen获得了有类似目标的“量子鸟类”（QuantumBirds）项目的资助。
在动物感觉生物学中，磁感知并不是唯一引起量子物理学家兴趣的谜团；研究人员希望帮助破解的另一种在科学上颇为神奇的感觉是嗅觉。传统理论认为，气味分子与嗅觉神经元上的蛋白受体结合以触发嗅觉，但这个理论面临着挑战，因为一些形状几乎相同的分子有着完全不同的气味，而另一些立体化学结构不同的分子闻起来却有着相似的味道。
在1990年代中期，伦敦大学学院的生物物理学家Luca Turin（如今是一位受人尊敬的香水评论家）提出，嗅觉受体可能不仅对气味分子的形状敏感，而且对其化学键的振动频率敏感。他认为，当一个气味分子和受体结合时，如果它的键正以某种频率振动，就能促进受体内部电子的量子隧穿效应。根据他的模型，这种电子转移会触发嗅觉神经元中的信号级联，最终向大脑发送神经冲动。
伦敦大学学院的物理学家Jenny Brookes以数学方式阐述了这个问题，以展示其在理论上的可行性。她说，这个观点的实验证据仍然不够明朗，“但这正是它令人兴奋的一部分原因。”近年来，研究人员一直在寻找与酶反应中相似的同位素效应。如果隧穿效应发挥重要作用，那么含有较重氢同位素的气味分子应该会由于键的振动频率较低而与正常分子的气味不同。
但研究结果并不一致。2013年，Turin的团队称，人类可以区分含有不同同位素的气味剂。两年后，其他研究人员未能重现这一结果，并称该理论“难以置信”。但这一观点并没有过时。2016年有另一个团队报告说，蜜蜂可以分辨不同同位素的气味，最近的理论研究提出了一系列新的预测，将帮助测试该模型的有效性。
在实验支持欠缺的情况下，理论工作也在将研究者的兴趣引向量子生物学解释。例如一些研究者推测，假定会在光合作用中发挥作用的相干效应，也可能影响视觉和细胞呼吸等广泛存在的生物现象。另一些人提出，质子隧穿效应会促进DNA的自发突变，尽管Al-Khalili和同事的理论工作指出，至少对于他们建模的腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对来说，这种可能性并不高。
奇怪的量子效应可能在人类大脑中发挥作用，这一想法无疑是量子物理学在动物界最极端的延伸了。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家Matthew Fisher认为，神经元具有能够像量子计算机一样运转的分子机构，它并不使用0或1这样的经典比特，而是运用可以同时处于0和1状态的信息单位——量子比特来工作。
Fisher提出，大脑的量子比特编码在波斯纳分子（Posner molecule，分子式为Ca9(PO4)6）内的磷酸根离子态上，波斯纳分子是可在骨头中发现的磷酸根离子和钙离子簇，也可能出现在某些特定细胞的线粒体中。他的团队最近的理论工作提出，不同波斯纳分子中的磷酸根离子态可以相互纠缠数小时甚至数天，因此或许可以进行快速和复杂的计算。Fisher近期获得了资助用以建立国际合作，称为“量子脑”（QuBrain），该项目期望通过实验寻找这些效应。许多神经科学家都对这一项目能取得积极结果表示怀疑。
量子生物学中的大多数想法仍然是更多受到理论驱动而不是实验支撑，但现在许多研究人员正试图缩小其中差距。Vedral的团队计划在今年晚些时候收集更多关于细菌中纠缠现象的数据，荷兰代尔夫特理工大学的物理学家Simon Gröblacher也提议在缓步动物中进行纠缠实验。2017年，Al-Khalili和《神秘的量子生命》的共同作者、萨里大学的生物学家Johnjoe McFadden一道，帮助建立了量子生物学博士培训中心，以鼓励跨学科探讨和推动研究工作。McFadden说，在更广泛的科学家和研究资助者群体中，“现在如果你说自己正在研究生物学中的量子力学，你并不会被当作彻底疯了，只会被认为有点古怪。”
其他研究人员也强调，无论理论机制是否获得实验支撑，量子生物学的推测本身也是有价值的。理论物理学家和量子计算研究员Adriana Marais说：“随着技术的小型化，我们在生物世界中拥有丰富的信息，可以从中汲取灵感。这是一个探究生命是什么的绝佳机会，同时也是吸取经验以最优方式在微型尺度上设计生理过程的绝佳机会。”
量子生物学在现实世界的应用包括从更高效的太阳能电池到新型生物传感器技术。去年，一个小组提出了一项部分基于嗅觉量子理论的“仿生鼻子”设计，用以检测微量浓度的气味剂。Hore和其他人强调，可能解释磁感知现象的自由基对机制或许可以应用于探测弱磁场的装置。
Ritz说：“我们可以利用获得的信息来设计基于这些原则的系统，即使事实证明这不是鸟类的功能机理。”
词汇表：量子术语
旋转的原子和亚原子所处的粒子尺度的世界受量子力学概率规则的支配。对于生活在通常由经典物理学描述的世界里的生物体来说，量子世界常常产生看似反直觉的效应。这些效应已经用于多种技术应用当中，量子现象在几种生物系统中的可能作用目前也正在探索当中。
纠缠：如果两个粒子的状态相互依存，则被称为是量子纠缠的，无论两者之间的距离有多远。在纠缠的经典例子中，如果测量两个纠缠态电子，则它们有着相反的自旋方向。
重要应用：量子计算，量子密码学
代表研究：光合作用，磁感知，人类意识
量子比特：这些信息单位是标准二进制数字或位元的量子等价物。虽然一个比特可以处于0或1的状态，但是量子比特可以同时具有多重状态，并且可以与其他量子比特产生纠缠，以执行并行计算。量子比特可以编码在电子和其他亚原子粒子的自旋状态中。
重要应用：量子计算
代表研究：人类意识
隧穿效应：量子尺度的粒子具有波动性，并且其在任何时刻的确切位置都可由概率波函数来描述。结果就是，诸如电子这样的粒子能以一定概率越过（或隧穿）看似不可穿透的能量势垒。
重要应用：热核聚变，扫描隧道显微镜
代表研究：酶催化，光合作用，嗅觉，DNA突变
相干性：因为量子物体可以表现出波动性，当处于特定的节奏时，它们之间可以表现出被称为相干性的波的性质。量子相干性是量子物理学家观察到的多种效应的基础，包括纠缠，以及表现为量子节拍的干涉图案。传统上认为，在环境温度下的分子跃动中，相干性的丧失会很快发生。
重要应用：激光，超导体，量子计算
代表研究：光合作用，磁感知，视觉，呼吸
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