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最前线|生物体内的怪异量子力学：被人类忽视的微观世界( 二 )


最前线|生物体内的怪异量子力学：被人类忽视的微观世界
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量子力学原理能够解释光合作用的高效率吗？
类似量子叠加这样的量子理学现象此前都是在高度受控的环境下被观察到的 。 一般情况下 ， 开展量子现象观测时科学家们需要将实验环境温度降低到极端低温 ， 从而极大地抑制细胞的无关活动 ， 以防止后者干扰到对量子行为效应的观察 。 但即便是在这样的极端低温条件下 ， 物质还必须被置于真空环境之中才能被观察 ， 而且前提还得是科学家们所使用的观测设备必须是极其精确的 ， 因为量子效应太过微弱 ， 极难进行观测 。
而那些潮湿、温暖、生机勃勃的细胞环境则很显然是人们最不会和量子效应相互联系起来的地方 。 然而 ， 海尔加说：“但即便是在这里 ， 量子效应仍然存在 。 ”
当然 ， 仅仅发现细胞内部存在量子效应这一事实本身并不能说明这一效应在细胞生命现象中能够发挥何种作用 。 有一些理论认为量子叠加效应在植物光合作用中起到了关键作用 ， 但海尔加指出 ， 这一效应与实际的生物学功能之间如何建立起清晰的联系 ， 目前仍然缺乏相关研究 。 他说：“下一步要做的就是开展一些定量分析研究 ， 以证明这一生物学过程中表现出来的高效率的确是与量子效应的作用相关联 。 ”
鸟类迁徙机制中的量子效应 更进一步 ， 量子效应在生物学中的作用很有可能还并不仅仅局限在植物的光合作用机制之中 。 科学界从19世纪起便一直感到困惑的另外一个谜团很有可能同样与此有关 ， 那就是：迁徙的鸟类如何知道飞行的路径？
候鸟的迁徙往往要飞行上千公里的遥远距离 ， 像知更鸟常常会飞往南欧或北非地区以躲开严寒的冬季 。 像这样飞越陌生的地域上空长途迁徙是非常危险的 ， 如果没有可靠的导航 ， 这样的旅程几乎将是不可能完成的任务 。 一只从波兰出发的知更鸟 ， 如果在方向感上出现了差错 ， 那么它可能会飞到更加寒冷的西伯利亚去 ， 而不是温暖的北非摩洛哥 。

最前线|生物体内的怪异量子力学：被人类忽视的微观世界
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知更鸟是如何知道飞行的方向的？
关于这些鸟类体内可能存在某种生物学导航器官的理论很难站得住脚 。 如果在知更鸟的大脑或者眼睛内部深处真的存在一些极其细微的针状磁铁 ， 以便探测地球的磁场实现导航 ， 那么在现代如此发达的科技面前 ， 这类器官应该早就已经被检测到了 。 然而事实并非如此 ， 科学家们至今并未在知更鸟的体内检测到任何可能承担这项艰巨导航功能的器官或组织 。
另外一项与此有关的理论是在上世纪1970年代提出来的 ， 科学家们设想 ， 或许鸟类拥有某种基于量子效应的化学导航器 ， 能够帮助鸟类指示北方 。
皮特·霍尔（Peter Hore）是英国牛津大学的一名化学家 ， 他表示这种化学导航器的运作将需要涉及激发态的单电子 ， 以及被称作“自旋”的量子效应 。
分子内部的电子一般都是成对的 ， 它们的自旋方向相反 ， 正好可以互相抵消 ， 因而对外部环境不敏感 。 而一个单电子则自顾自地旋转 ， 这种旋转效应无法被抵消 。 这就意味着它将会与周围环境之间发生相互作用——比如说地球磁场 。
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量子效应与地球磁场间的相互作用可能构成了知更鸟的导航器
霍尔指出 ， 实验已经证明 ， 当知更鸟被暴露于某种特定频率的无线电波（电磁波的一种）环境下时 ， 它们会暂时性地丧失方位感 。 如果某种无线电波的频率刚好与电子自旋的频率一致 ， 这将引起电子的共振效应 ， 从而使电子的震动更加明显 。
但这与鸟类使用化学导航器之间有什么关系呢？有的 。 科学家们认为鸟类眼睛后方器官内就存在这样一些自由电子 ， 其会对地球磁场发生感应 。 地球磁场的作用会使电子离开其原本在化学导航器中的位置并开始一系列的反应过程 ， 产生某种特定的化学物质 。 只要鸟类持续沿着同一方向飞行而没有偏航 ， 这一化学物质的含量就会持续提升 。


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