量子生物學：最新研究綜述

量子物理學主宰着極小世界和極冷世界 狗無法通過量子隧道穿過柵欄 你也不會看到你的貓表現出波狀特性 但物理學很有趣 它不斷地給我們帶來驚喜 量子物理學開始出現在意想不到的地方 事實上 它在動物、植物和我們自己的身體中發揮着作用 我們曾經認爲生物系統太熱、太溼、太混亂 量子物理學無法在它們的運作中發揮任何作用 但現在看來 生命每天都在混亂的現實世界系統中 運用量子物理的壯舉 包括量子隧道、玻璃二象性 甚至糾纏 爲了解這一切是如何運作的 我們從我們自己的鼻子內部開始說起 量子鼻子 人的鼻子可以辨別超過一萬一種氣味 但嗅覺到底是如何發揮作用的仍然是個謎 當一種稱爲氣味劑的分子進入我們的鼻子時 它會與受體結合 最初 流行的理論認爲 這些受體利用氣味劑的形狀來區分氣味 所謂的鎖合鑰式模型表明 當氣味劑找到正確的受體時 它就會融入其中並引發特定的氣味 但這種鎖合鑰式模型在測試時遇到了麻煩 即使氣味分子形狀相同 受試者也能夠區分兩種氣味 有一些其他的進程必須在工作 另一個仍然存在爭議的模型表明 我們的鼻子對氣味分子內的振動很敏感 當分子內的各個原子相對於彼此來回振動時 就會發生這些振動 就好像它們被夾在到微小的彈簧上一樣 當氣味劑進入受體時 其振動能量會導致電子通過量子隧道 到達受體中的另一個位置 形狀和振動模型可以組合 在所謂的刷卡模型中 我們的鼻子對氣味劑的形狀和振動都很敏感 一個稱爲發光假說的新模型提出了又一個步驟 一旦電子隧道到達受體內的新位置 它就會失去能量 該假設提出 電子會發射光子 我們的鼻子檢測到這些光子 這有助於我們區分氣味 有趣的是 這一研究的作者認爲 這可能有助於解釋 爲什麼一些新冠病毒感染者會失去嗅覺 糾纏導航 每年 北極燕鷗都會開始遷徙 環遊世界 它們從格陵蘭島前往南極州附近的威德安海 行程九萬公里 全程無需任何導航儀器幫助 鳥類具有不可思議的導航能力 無論天氣如何變化 無論白天還是晚上 它們都可以找到正確的旅行方向 科學家認爲這是可能的 因爲鳥類可以感知地球的磁場 使它們能夠精確地調整自己在地球上的位置 它的工作原理看來是這樣的 通常 兩個電子可以佔據一個軌道 一個電子自旋向上 一個電子自旋向下 但有時 某些東西可以將分子中的單個電子擊落 並將其轉移到另一個分子中 現在 給予分子和接收分子都是自由基 即在其軌道之一內 具有不成對電子的分子 自由基非常具有反應性 但更重要的是 當它們以這種方式創建時 它們會彼此糾纏在一起 形成所謂的自由基對 這些配對是由鳥眼內 稱爲引發色素的蛋白質產生的 這一自由基 對將在自旋彼此對齊或反對齊之間 快速地來回震盪 自旋是自旋角動量 它賦予分子磁矩 正因爲如此 這些分子在每個排列或反排列狀態中 花費的時間 對外部磁場非常敏感 事實上 鳥類可以檢測到 比地球磁場強度小數千倍的變化 量子進化 量子力學也可能在進化中發揮作用 DNA有四個鹼基 分別稱爲A C G和T 這些鹼基的形狀 使得A始終與結合 G始終與C結合 在複製過程中 每從上到下解開DNA鏈 現在 這個解壓的DNA的兩側 都可以構建成相同的DNA鏈 將A匹配到C 將G匹配到T 鹼基通過氫鍵固定 其中 氫原子吸引帶負電的分子 有點像磁鐵 這些鍵不是共享電子 而是通過靜電粘合在一起 當DNA被解開時 氫核偶爾會通過量子隧道 到達解開的DNA的另一側 當這種情況發生時 就會產生互變異構體 互變異構體是分子的另一種形式 具有相同的化學式 但形狀不同 因此連接性也不同 在複製過程中 存活足夠長的互變異構體 可能會導致錯誤的鹼基彼此配對 起初 人們認爲互變異構體的存活時間 不足以持續整個複製過程 但最近 科學家發現這些互變異構體 可以通過DNA複製存活下來 並引起突變 隨着時間的推移 可能會影響進化的進程 植物 量子物理專家 利用光合作用的植物和細菌 利用光的量子性質 利用量子相干性 將陽光轉化爲能量 當陽光照射到植物時 葉子內的葉綠素分子 吸收特定顏色的光子 這些光子激發葉綠素內的電子 然後 能量從葉綠素分子 轉移到稱爲反應中心的結構 在那裏轉化爲化學能 儲存起來供植物使用 但從葉綠素到反應中心的路徑 並不直接 也不容易找到 能量必須快速到達目的地 否則就會以熱量的形式散失 爲了緩解這一挑戰 植物使用了一種 稱爲量子相干性的巧妙技巧 電子不是選擇一條路徑 並希望這是到達反應中心的方式 而是利用其波狀性質 一次選擇所有可用路徑 每次都能找到反應中心 量子相干性 與量子糾纏密切相關 這也被證明 可以提高植物的效率 小杰 科學家們發現 通常與非常小 或非常冷的量子過程 有關的量子過程 也發生在生物系統中 這是出乎意料的 生物學似乎非常有效地 利用了量子隧道 糾纏和相干性 瞭解生物系統 如何使用這些過程 可以讓我們對它們的工作原理 有新的見解