不懂量子力学？没关系！你的身体懂，植物懂，鸟类也懂

　　量子效应不仅出现在微观世界，在生命系统中也普遍存在。
　　来源：Princeton University
　　你或许不懂量子力学，但你的身体懂。当你的鼻子闻气味时，可能已经不知不觉用上了量子力学。
　　不只是你，植物在阳光下进行光合作用，候鸟循着地球磁场长途迁徙，DNA发生突变，酶催化化学反应，这些过程都用到了量子力学。甚至有科学家认为，人类的大脑就像是一台量子计算机，神经元利用量子比特来编码信息。
　　量子现象在生命世界真的无处不在吗？事情或许真是这样。 生命系统也存在量子效应？
　　我们生活在一个经典世界中，没有什么东西可以同时出现在两个地方；如果速度不够快，滚动的小球就无法冲上小山坡；物体运动的速度永远不可能超过光速。
　　但在诡异的量子世界，这些日常经验似乎都被打破：
　　光子、电子这样的微观粒子不仅具有粒子的性质，也具有波的性质，它们可以同时处于两种不同状态，比如同时穿过两道狭缝——这被称为 量子相干性 ；可以像幽灵般穿过原本看似不可穿透的能量壁垒——所谓的 量子隧穿效应 ；两个纠缠的粒子无论相隔多远，都可以瞬间感知到彼此的状态——也就是发生 量子纠缠 。
　　在宏观世界，猫不可能处于「死」和「活」的叠加态。｜来源：Gerd Altmann
　　量子力学准确地描述了原子、分子的行为，当这些原子、分子聚集成宏观世界复杂的生命体时，量子效应会丢失吗，还是会跨越尺度延伸出去？在生命系统中也存在量子效应吗？
　　长久以来，科学家们都认为，量子效应只有在尺度非常小、温度非常低的极端环境中才能表现出来，在温暖湿润的生命系统中，大量粒子的集体运动会产生嘈杂的背景噪音，淹没任何古怪的量子效应。
　　但越来越多的证据表明， 量子现象在生命系统中普遍存在 。植物的光合作用、迁徙的候鸟靠磁场导航、人类闻到不同气味，都要依靠量子力学。 光合作用中的量子相干性
　　在光合作用中，光子会激发叶绿素分子中的电子，产生一种名为 激子 的准粒子。接下来，激子从一个叶绿素分子转移到下一个，直到抵达一个叫做反应中心的地方，将能量转化为可供植物代谢的化学能。
　　在植物体内，这个转移过程持续时间极短，效率接近100%。如果 激子 只是在叶绿素分子间随机游走，最终误打误撞抵达反应中心，就会因为绕路丢失掉很多能量，显然不是一种高效的行为。
　　2007年发表在《自然》杂志上的一项研究发现，激子可能是像波一样传播，可以同时感知所有能抵达反应中心的路径，并选择最高效的那条，也就是说， 激子在叶绿素分子间的转移过程是量子相干的，从而帮助提高植物进行光合作用的效率 。
　　植物光合作用过程中可能涉及到量子相干性。| 来源：World Science Festival迁徙候鸟与量子纠缠
　　欧亚鸲（qú），俗称知更鸟，是一种习惯在夜间迁徙的候鸟。每年冬天，它们都会通过 磁感知 向南飞行数千公里，仿佛自带指南针般不会迷路。地球磁场非常微弱，比冰箱贴还弱100倍，这些候鸟怎么会具有如此敏锐的磁感知能力呢？
　　欧亚鸲具有神秘的第六感——磁感知能力，可以在飞行途中定位导航|来源：Corinna Langebrake, Ilia Solov’yov
　　研究发现，随着迁徙季节的临近，欧亚鸲 视网膜中的隐花色素 CRY4的表达水平会上升，在非迁徙鸟类中则不存在这种现象，因此科学家猜测，候鸟的磁感知能力很可能与隐花色素有关。
　　隐花色素是一种光敏蛋白质，吸收光子后会发生化学反应，产生自由基对。自由基对由两个自由基组成，每个自由基包含奇数个电子。 这些电子彼此之间可以产生量子纠缠，并对地球磁场的方向很敏感 。
　　在2021年6月23日发表于《自然》杂志的一项最新研究中，科学家第一次成功获得了欧亚鸲的隐花色素蛋白CRY4，证明它确实具有明显的磁敏感性。施加磁场后，隐花色素蛋白在蓝光照射下会发生化学反应，使得具有磁敏性的自由基对增多，从而帮助鸟类感知身体相对于地球磁场的方向。
　　视网膜中的隐花色素蛋白可以帮助欧亚鸲感知磁场方向。｜来源：Ilia Solov＂yov人类嗅觉与量子隧穿
　　人类的鼻子可以分辨超过一万种不同气味，这到底是如何做到的呢？很可能和量子隧穿有关。
　　气味分子从空气中进入鼻孔，与嗅觉神经元上的受体结合，让我们闻到不同气味。可是研究发现，像硼烷和硫磺这样形状不同的分子，却同样散发出腐烂鸡蛋的味道，而一些形状几乎相同的分子则有着完全不同的气味。
　　如果嗅觉受体只是对气味分子的形状敏感，似乎不足以解释嗅觉的强大分辨本领。因此有化学家猜测， 嗅觉对分子的化学键振动频率也很敏感 。当气味分子和受体结合时，如果它以某种频率振动，分子中的一个电子就会通过 量子隧穿 抵达受体的另一侧，通过这个电子转移过程，大脑就会接收到信号，判断出这是什么分子。
　　量子现象在生命世界无处不在。｜medium.com
　　早在1943年，物理学家薛定谔就提出，量子力学或许在生命当中发挥着作用。但直到今天，对于生命系统中的量子现象，我们仍然所知甚少。
　　量子效应为何可以在温暖嘈杂的生命系统中存在？这一切又是如何发生的？这些问题我们并没有答案。但是在数十亿年的生命演化史中，大自然似乎早已洞察先机，将量子的奥秘注入生命当中。
　　作者｜陈天真
　　本文经授权转自「十点科学」（id：Science_10）公众号