量子生物学的起源

2019 年 1 月 16 日 中科院物理所

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量子生物学（Quantum Biology）是一门试图将量子力学的原理应用于生命系统的稀有领域。它常被认为是一个新的学科，因为近年来有研究表明，一些生物现象（比如光合作用、酶催化、鸟类迁徙或嗅觉）可能也应用到了量子力学中的相干性、隧穿或纠缠等特性。

这些重要的发现都是在过去二十年中出现的，但量子生物学的根源却可以追溯到更早的时期。1943年，物理学家薛定谔就在都柏林三一学院的一系列演讲中探讨了量子力学能够如何在生物过程中发挥作用。这被许多人视作是最早涉足量子生物学领域的尝试之一。但据近期发表在《皇家学会学报A》上的一篇论文所述，这个领域实际上可以追溯量子力学的发展初期，也就是20世纪20年代。

论文的作者之一Johnjoe McFadden是一名微生物学家，也是英国萨里大学量子生物学中心的主任。他说：“人们都误以为量子生物学是一门非常新的学科，实际上它在二战之前就已经开始了。那时候，一些量子物理学家试图理解生命本身的特殊之处，以及量子力学是否能为这一问题提供新的思路。” 论文的另一名作者是McFadden在萨里大学的同事Jim Al-Khalili。

○ 论文：《量子生物学的起源》。

事实上，量子生物学在过去一直缺乏可信度，直到近年出现一些有趣的研究，才表明这个想法是值得探究的。例如，越来越多的证据表明光合作用需要依赖量子效应来帮助植物将阳光转化为燃料；候鸟可能拥有一种内部的“量子罗盘”，能帮助它们感知地球磁场从而为它们导航；量子效应也可能在人类的嗅觉中发挥作用，帮助我们区分不同的气味。（详见：《量子生物学：试图揭示自然界的奥秘》）

更具争议的是，在1989年，数学物理学家彭罗斯提出了一种名为“微管”的神秘蛋白质，他认为这种蛋白质或许可以对量子效应加以利用，并掌握着人类意识的秘密。很少有研究人员相信这是真的，但是加州大学圣巴巴拉分校的物理学家Matthew Fisher最近提出，磷原子的核自旋或许能在大脑中充当简单的“量子比特”。换句话说，意识可以像量子计算机一样运作。

这就是为什么McFadden和Al-Khalili在2015年出版了他们最畅销的科普书籍《神秘的量子生命：量子生物学时代的到来》。一篇没有被最终收录于书中的章节是关于这一领域的历史起源，但这一章节的内容成为了这篇最新论文的基础。

到了1927年，基于玻尔、海森堡、泡利、薛定谔、狄拉克、玻恩、约当、费米等人的努力，量子力学的数学框架也被建立了起来。由于量子力学在解释原子世界取得了巨大的成功，量子物理学家为此感到兴奋不已。他们走出物理实验室，离开黑板，寻找新的有待被征服的科学领域。当时，微生物学以及新兴的遗传学和染色体遗传理论仍然是未被探索的领域，越来越多的生物物理学家和生物化学家开始被吸引到这些领域。

1932年，剑桥甚至有一个理论生物学俱乐部，俱乐部里的成员包括物理学家、哲学家（如卡尔·波普尔）和生物学家。Al-Khalili说：“他们都认为生命中有一些很特别的东西，觉得物理学和化学中尚未发现的原理可能有助于找到化学和生物学之间的过渡。”当然，对他们中的许多人来说，这更多的是一种爱好，他们并没能取得多大进展。但这些早期的讨论无疑对薛定谔产生了巨大的影响。

运用物理学和化学原理来解释生命系统这个观点并没有完全说服玻尔，但在1929年的北欧自然科学家会议上，他在一次演讲中简要地提到了这种可能性。其中受到启发的就有德国物理学家约当，他也是一篇奠定了量子力学的数学基础的论文的作者之一。在20世纪30年代末，他开始使用“量子生物学（quantumbiologie）”一词，并在薛定谔发表《什么是生命》的前一年发表了《物理学和有机生命的秘密》一书。在书中，他探讨了原子和量子物理学是否对生命至关重要。

不幸的是，约当是纳粹党的忠实成员（尽管他为爱因斯坦这样的犹太科学家辩护使他在纳粹党眼中是“政治上不可靠的”）。他试图将他的量子生物学理论与纳粹哲学联系起来——甚至声称一个独裁的领导人（元首）是生命的核心原则，这样的言论也败坏了这些理论的名声，从而失去了其他科学家的信任。

Al-Khalili说：“如果换做是其他物理学家，也许人们对量子生物学会更加注重，并继续地思考其中的问题。但约当的背景使得这被视作是一个令人厌恶的研究领域。”

因此，让量子生物学的火焰继续燃烧的重任落到了薛定谔身上。Al-Khalili说：“在他的一本笔记本上有一张著名的图片，上面画着染色体的图形，他试图理解染色体是如何储存信息的。他想知道是什么让生命处于这种高度有序的状态。”在《什么是生命》一书中，薛定谔认为，与无生命物质不同的是，生命物质可以受到单个量子事件的影响。某些材料当被冷却到接近绝对零度的温度时，就会表现出一些量子效应，例如电阻会消失的超导效应。根据薛定谔的说法，生物在室温下也会表现出这种类型的效应，也许正是因为它有很高的有序度。

一个具体的例子是他思考了果蝇是如何通过“不断地从环境中吸取有秩序的东西”，从而从无序中生出秩序、让熵减少（这似乎违反了热力学第二定律）的。根据物理学理论，在一个封闭的系统中——熵总是增加的，但是生物不是孤立的系统。果蝇或许能从无序中提取出有序，但它所处环境的熵也会相应增加。薛定谔还提出一种“非周期性晶体”可能包含了遗传信息，以及突变是通过“量子跃迁”发生的。（所谓非周期性晶体是指一种原子非随机排列的结构，它为细胞编码一套稳健的“密码”，但缺乏晶体结构的规律性。）

《什么是生命》在当时引起了巨大的反响。克里克和沃森称这本书激发了他们关于DNA双螺旋结构的思考，以及罗莎琳德·富兰克林的X射线衍射实验。但在那之后，量子生物学的热度就慢慢消散了。在随后的几十年里，物理学家普遍认为生命系统太过嘈杂，因此太过于脆弱的量子效应无法在像活细胞这样复杂的环境中持续存在。

其中的问题就在于量子退相干。纠缠是量子效应的关键：它以一种特殊的方式将两个或两个以上的物体连接在一起，使它们即便相隔很远，也能相互影响。爱因斯坦曾给它取了一个响亮的名号：“鬼魅般的超距作用”。然而哪怕是最轻微的相互作用（比如与单个光子发生碰撞）都会破坏这种纠缠。（相干性是量子态在不同时间、不同地点与自身或与其他态发生的协同运动。与相干对立的是退相干：当孤立的量子系统被打开，并活跃地与它们的原子环境发生相互作用时，它们会迅速地退相干，失去它们量子力学上的协同特性，也就是它们的相干性，并开始表现出经典的宏观行为。退相干是阻碍建造量子计算机的重大障碍。）

Al-Khalili说：“通常我们认为，环境越复杂，就越快退相干，就像高温物体会在低温环境中冷却一样。如果不是这样的话，我们早就造出量子计算机了。那么，如何才能使这些微妙的量子效应维持足够长的时间，从而让它们发挥作用呢?”

目前的想法是，在退相干出现之前，可能存在一些量子过程可以在其中发挥作用的生命系统。这是因为这样的系统依赖于微小尺度上（只有几个纳米）的少数分子的运动，使它们维持足够的孤立。事实上，量子信息论的近期研究表明，噪声实际上可能可以支持某些系统中的量子相干。

也许在数十亿年的进化过程中，大自然已经学会了如何维持量子相干从而利用这些效应，只是我们还不知道如何做到这一点。

参考来源：

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/

来源：原理