什么是量子生物（量子生物學(xué)的起源詳解）

發(fā)布時(shí)間：2025-08-17 | 來源：互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)載和整理

量子生物學(xué)（Quantum Biology）是一門試圖將量子力學(xué)的原理應(yīng)用于生命系統(tǒng)的稀有領(lǐng)域。它常被認(rèn)為是一個(gè)新的學(xué)科，因?yàn)榻陙碛醒芯勘砻?，一些生物現(xiàn)象（比如光合作用、酶催化、鳥類遷徙或嗅覺）可能也應(yīng)用到了量子力學(xué)中的相干性、隧穿或糾纏等特性。

這些重要的發(fā)現(xiàn)都是在過去二十年中出現(xiàn)的，但量子生物學(xué)的根源卻可以追溯到更早的時(shí)期。1943年，物理學(xué)家薛定諤就在都柏林三一學(xué)院的一系列演講中探討了量子力學(xué)能夠如何在生物過程中發(fā)揮作用。這被許多人視作是最早涉足量子生物學(xué)領(lǐng)域的嘗試之一。但據(jù)近期發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)A》上的一篇論文所述，這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上可以追溯量子力學(xué)的發(fā)展初期，也就是20世紀(jì)20年代。

論文的作者之一Johnjoe McFadden是一名微生物學(xué)家，也是英國(guó)薩里大學(xué)量子生物學(xué)中心的主任。他說：“人們都誤以為量子生物學(xué)是一門非常新的學(xué)科，實(shí)際上它在二戰(zhàn)之前就已經(jīng)開始了。那時(shí)候，一些量子物理學(xué)家試圖理解生命本身的特殊之處，以及量子力學(xué)是否能為這一問題提供新的思路。” 論文的另一名作者是McFadden在薩里大學(xué)的同事Jim Al-Khalili。

○ 論文：《量子生物學(xué)的起源》。

事實(shí)上，量子生物學(xué)在過去一直缺乏可信度，直到近年出現(xiàn)一些有趣的研究，才表明這個(gè)想法是值得探究的。例如，越來越多的證據(jù)表明光合作用需要依賴量子效應(yīng)來幫助植物將陽光轉(zhuǎn)化為燃料；候鳥可能擁有一種內(nèi)部的“量子羅盤”，能幫助它們感知地球磁場(chǎng)從而為它們導(dǎo)航；量子效應(yīng)也可能在人類的嗅覺中發(fā)揮作用，幫助我們區(qū)分不同的氣味。（詳見：《量子生物學(xué)：試圖揭示自然界的奧秘》）

更具爭(zhēng)議的是，在1989年，數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯提出了一種名為“微管”的神秘蛋白質(zhì)，他認(rèn)為這種蛋白質(zhì)或許可以對(duì)量子效應(yīng)加以利用，并掌握著人類意識(shí)的秘密。很少有研究人員相信這是真的，但是加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家Matthew Fisher最近提出，磷原子的核自旋或許能在大腦中充當(dāng)簡(jiǎn)單的“量子比特”。換句話說，意識(shí)可以像量子計(jì)算機(jī)一樣運(yùn)作。

這就是為什么McFadden和Al-Khalili在2015年出版了他們最暢銷的科普書籍《神秘的量子生命：量子生物學(xué)時(shí)代的到來》。一篇沒有被最終收錄于書中的章節(jié)是關(guān)于這一領(lǐng)域的歷史起源，但這一章節(jié)的內(nèi)容成為了這篇最新論文的基礎(chǔ)。

到了1927年，基于玻爾、海森堡、泡利、薛定諤、狄拉克、玻恩、約當(dāng)、費(fèi)米等人的努力，量子力學(xué)的數(shù)學(xué)框架也被建立了起來。由于量子力學(xué)在解釋原子世界取得了巨大的成功，量子物理學(xué)家為此感到興奮不已。他們走出物理實(shí)驗(yàn)室，離開黑板，尋找新的有待被征服的科學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)，微生物學(xué)以及新興的遺傳學(xué)和染色體遺傳理論仍然是未被探索的領(lǐng)域，越來越多的生物物理學(xué)家和生物化學(xué)家開始被吸引到這些領(lǐng)域。

1932年，劍橋甚至有一個(gè)理論生物學(xué)俱樂部，俱樂部里的成員包括物理學(xué)家、哲學(xué)家（如卡爾·波普爾）和生物學(xué)家。Al-Khalili說：“他們都認(rèn)為生命中有一些很特別的東西，覺得物理學(xué)和化學(xué)中尚未發(fā)現(xiàn)的原理可能有助于找到化學(xué)和生物學(xué)之間的過渡?！碑?dāng)然，對(duì)他們中的許多人來說，這更多的是一種愛好，他們并沒能取得多大進(jìn)展。但這些早期的討論無疑對(duì)薛定諤產(chǎn)生了巨大的影響。

運(yùn)用物理學(xué)和化學(xué)原理來解釋生命系統(tǒng)這個(gè)觀點(diǎn)并沒有完全說服玻爾，但在1929年的北歐自然科學(xué)家會(huì)議上，他在一次演講中簡(jiǎn)要地提到了這種可能性。其中受到啟發(fā)的就有德國(guó)物理學(xué)家約當(dāng)，他也是一篇奠定了量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的論文的作者之一。在20世紀(jì)30年代末，他開始使用“量子生物學(xué)（quantumbiologie）”一詞，并在薛定諤發(fā)表《什么是生命》的前一年發(fā)表了《物理學(xué)和有機(jī)生命的秘密》一書。在書中，他探討了原子和量子物理學(xué)是否對(duì)生命至關(guān)重要。

不幸的是，約當(dāng)是納粹黨的忠實(shí)成員（盡管他為愛因斯坦這樣的猶太科學(xué)家辯護(hù)使他在納粹黨眼中是“政治上不可靠的”）。他試圖將他的量子生物學(xué)理論與納粹哲學(xué)聯(lián)系起來——甚至聲稱一個(gè)獨(dú)裁的領(lǐng)導(dǎo)人（元首）是生命的核心原則，這樣的言論也敗壞了這些理論的名聲，從而失去了其他科學(xué)家的信任。

Al-Khalili說：“如果換做是其他物理學(xué)家，也許人們對(duì)量子生物學(xué)會(huì)更加注重，并繼續(xù)地思考其中的問題。但約當(dāng)?shù)谋尘笆沟眠@被視作是一個(gè)令人厭惡的研究領(lǐng)域?！?/p>

因此，讓量子生物學(xué)的火焰繼續(xù)燃燒的重任落到了薛定諤身上。Al-Khalili說：“在他的一本筆記本上有一張著名的圖片，上面畫著染色體的圖形，他試圖理解染色體是如何儲(chǔ)存信息的。他想知道是什么讓生命處于這種高度有序的狀態(tài)?！痹凇妒裁词巧芬粫?，薛定諤認(rèn)為，與無生命物質(zhì)不同的是，生命物質(zhì)可以受到單個(gè)量子事件的影響。某些材料當(dāng)被冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出一些量子效應(yīng)，例如電阻會(huì)消失的超導(dǎo)效應(yīng)。根據(jù)薛定諤的說法，生物在室溫下也會(huì)表現(xiàn)出這種類型的效應(yīng)，也許正是因?yàn)樗泻芨叩挠行蚨取?/p>

一個(gè)具體的例子是他思考了果蠅是如何通過“不斷地從環(huán)境中吸取有秩序的東西”，從而從無序中生出秩序、讓熵減少（這似乎違反了熱力學(xué)第二定律）的。根據(jù)物理學(xué)理論，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中——熵總是增加的，但是生物不是孤立的系統(tǒng)。果蠅或許能從無序中提取出有序，但它所處環(huán)境的熵也會(huì)相應(yīng)增加。薛定諤還提出一種“非周期性晶體”可能包含了遺傳信息，以及突變是通過“量子躍遷”發(fā)生的。（所謂非周期性晶體是指一種原子非隨機(jī)排列的結(jié)構(gòu)，它為細(xì)胞編碼一套穩(wěn)健的“密碼”，但缺乏晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。）

《什么是生命》在當(dāng)時(shí)引起了巨大的反響?？死锟撕臀稚Q這本書激發(fā)了他們關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的思考，以及羅莎琳德·富蘭克林的X射線衍射實(shí)驗(yàn)。但在那之后，量子生物學(xué)的熱度就慢慢消散了。在隨后的幾十年里，物理學(xué)家普遍認(rèn)為生命系統(tǒng)太過嘈雜，因此太過于脆弱的量子效應(yīng)無法在像活細(xì)胞這樣復(fù)雜的環(huán)境中持續(xù)存在。

其中的問題就在于量子退相干。糾纏是量子效應(yīng)的關(guān)鍵：它以一種特殊的方式將兩個(gè)或兩個(gè)以上的物體連接在一起，使它們即便相隔很遠(yuǎn)，也能相互影響。愛因斯坦曾給它取了一個(gè)響亮的名號(hào)：“鬼魅般的超距作用”。然而哪怕是最輕微的相互作用（比如與單個(gè)光子發(fā)生碰撞）都會(huì)破壞這種糾纏。（相干性是量子態(tài)在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)與自身或與其他態(tài)發(fā)生的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。與相干對(duì)立的是退相干：當(dāng)孤立的量子系統(tǒng)被打開，并活躍地與它們的原子環(huán)境發(fā)生相互作用時(shí)，它們會(huì)迅速地退相干，失去它們量子力學(xué)上的協(xié)同特性，也就是它們的相干性，并開始表現(xiàn)出經(jīng)典的宏觀行為。退相干是阻礙建造量子計(jì)算機(jī)的重大障礙。）

Al-Khalili說：“通常我們認(rèn)為，環(huán)境越復(fù)雜，就越快退相干，就像高溫物體會(huì)在低溫環(huán)境中冷卻一樣。如果不是這樣的話，我們?cè)缇驮斐隽孔佑?jì)算機(jī)了。那么，如何才能使這些微妙的量子效應(yīng)維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而讓它們發(fā)揮作用呢?”

目前的想法是，在退相干出現(xiàn)之前，可能存在一些量子過程可以在其中發(fā)揮作用的生命系統(tǒng)。這是因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)依賴于微小尺度上（只有幾個(gè)納米）的少數(shù)分子的運(yùn)動(dòng)，使它們維持足夠的孤立。事實(shí)上，量子信息論的近期研究表明，噪聲實(shí)際上可能可以支持某些系統(tǒng)中的量子相干。

也許在數(shù)十億年的進(jìn)化過程中，大自然已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何維持量子相干從而利用這些效應(yīng)，只是我們還不知道如何做到這一點(diǎn)。