量子力學(xué)是關(guān)于微觀粒子的基本理論，它描述了一些與我們直覺相反的現(xiàn)象，如量子隧穿、量子糾纏等。然而，我們想要觀察到這些現(xiàn)象，需要在極低的溫度下進(jìn)行。長期以來，我們認(rèn)為生物系統(tǒng)太熱、太混亂，導(dǎo)致退相干的發(fā)生，以致于量子物理不會(huì)在其中起作用。

然而，隨著研究的繼續(xù)進(jìn)行，我們漸漸意識(shí)到生命每天都在運(yùn)用著量子力學(xué)。其中最為我們所熟知的是動(dòng)物利用量子力學(xué)進(jìn)行導(dǎo)航，而令我們震驚的是，我們的鼻子之所以能嗅到氣味，也是量子力學(xué)的結(jié)果。

量子導(dǎo)航

磁感應(yīng)是指一些動(dòng)物可以感知地球磁場(chǎng)，并利用它來導(dǎo)航或定位的能力。磁感應(yīng)在動(dòng)物界中廣泛存在，例如鳥類、魚類、昆蟲、爬行動(dòng)物、哺乳動(dòng)物等都有磁感應(yīng)的證據(jù)。磁感應(yīng)的機(jī)制目前還不完全清楚，但有兩種主要的假設(shè)：一種是基于磁鐵體，一種是基于光化學(xué)反應(yīng)。

磁鐵體假設(shè)認(rèn)為，動(dòng)物體內(nèi)存在一些含有磁鐵體（一種鐵氧化物）的細(xì)胞或結(jié)構(gòu)，它們可以被地球磁場(chǎng)影響，并產(chǎn)生一種力或電信號(hào)，從而傳遞給神經(jīng)系統(tǒng)。這種假設(shè)可以解釋一些動(dòng)物對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的感知，以及對(duì)人工磁場(chǎng)的反應(yīng)。

光化學(xué)反應(yīng)假設(shè)認(rèn)為，動(dòng)物體內(nèi)存在一些含有隨機(jī)色素的細(xì)胞或結(jié)構(gòu)，它們可以在光照下發(fā)生一種特殊的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一對(duì)自由基。這對(duì)自由基之間存在一種量子力學(xué)上的關(guān)聯(lián)，稱為量子糾纏，它使得它們的自旋狀態(tài)相互依賴。地球磁場(chǎng)會(huì)影響這對(duì)自由基之間的糾纏程度，并改變它們的壽命。這種變化可以被神經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為視覺信號(hào)或其他形式的信息。這種假設(shè)可以解釋一些動(dòng)物對(duì)磁場(chǎng)方向和極性的感知，以及對(duì)光線顏色和強(qiáng)度的依賴。

在生物系統(tǒng)中觀察到量子糾纏是非常令人驚訝的，因?yàn)樯锵到y(tǒng)面臨著熱噪聲和分子碰撞的干擾，這些干擾會(huì)迅速地破壞量子糾纏。為了解釋這一現(xiàn)象，一些理論模型提出，生物系統(tǒng)可能利用了一些特殊的機(jī)制來保護(hù)量子糾纏，例如使用特定的分子結(jié)構(gòu)來隔離隨機(jī)色素，或者利用光線的偏振來增強(qiáng)量子糾纏。 這些機(jī)制可能是經(jīng)過自然選擇優(yōu)化的結(jié)果，使得生物系統(tǒng)能夠利用量子糾纏來提高磁感應(yīng)的靈敏度和準(zhǔn)確度。

量子嗅覺

動(dòng)物可以通過嗅覺受體細(xì)胞上的嗅覺受體蛋白來感知?dú)馕斗肿印Ｐ嵊X是生命活動(dòng)中重要的一種感官，它可以幫助動(dòng)物尋找食物、避開危險(xiǎn)、識(shí)別同伴等。嗅覺的機(jī)制目前還不完全清楚，但有兩種主要的假設(shè)：一種是基于分子形狀，一種是基于分子振動(dòng)。

分子形狀假設(shè)認(rèn)為，嗅覺受體蛋白可以識(shí)別氣味分子的形狀，并產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。這種假設(shè)類似于鎖和鑰匙的模型，即氣味分子必須與嗅覺受體蛋白的結(jié)合位點(diǎn)相匹配，才能引發(fā)嗅覺反應(yīng)。但這種假設(shè)遇到了一些麻煩，首先我們能分辨上萬種氣味，但受體的形狀卻沒有那么多；其次，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，我們能夠區(qū)分兩種氣味，即使氣味分子的形狀相同。所以一定有其他物理過程在起作用。

所以我們有了分子振動(dòng)假設(shè)，它認(rèn)為嗅覺受體蛋白可以識(shí)別氣味分子的振動(dòng)頻率。每一種化學(xué)鍵都有其共振頻率，所以不同的分子就有了不同的振動(dòng)特征。科學(xué)家也會(huì)通過這種特性來計(jì)算分子的組成：用激光照射這些分子使其分子鍵振動(dòng)而后發(fā)出光，我們就可以根據(jù)光的頻率計(jì)算其中的化學(xué)組成。

而鼻子使用另一種方法進(jìn)行檢測(cè)，使用電子的量子隧穿。當(dāng)氣味分子進(jìn)入鼻子時(shí)，其振動(dòng)能量使電子隧穿到感受器的另一端。一旦電子到達(dá)新位置，它就會(huì)失去能量而發(fā)出一個(gè)光子。這種光子可以被我們的鼻子所識(shí)別，于是我們就聞到了味道。

那么，人類嗅覺是否真的利用了這些量子力學(xué)現(xiàn)象呢？目前，這個(gè)問題還沒有確定的答案，但有一些實(shí)驗(yàn)和理論研究支持了分子振動(dòng)假設(shè)。

光合作用

光合作用是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，它是地球上所有植物和一些細(xì)菌的能量來源。在光合作用中，光能被分子吸收，并產(chǎn)生激子，這些激子通過一系列蛋白質(zhì)傳遞到反應(yīng)中心，進(jìn)而觸發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，將水分解為氧氣，并將二氧化碳還原為有機(jī)物。(www.ws46.Com)

一個(gè)關(guān)鍵的問題是，激子是如何在分子之間傳遞的？經(jīng)典物理學(xué)預(yù)測(cè)，激子會(huì)隨機(jī)地在分子之間跳躍，直到找到最低能量的路徑到達(dá)反應(yīng)中心。然而，這種隨機(jī)游走會(huì)導(dǎo)致很多能量損失和效率降低。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在某些光合作用系統(tǒng)中，激子并不是隨機(jī)游走，而是以一種類似于波動(dòng)的方式同時(shí)探索多條路徑，并選擇最佳路徑到達(dá)反應(yīng)中心。這種現(xiàn)象被稱為量子相干，它意味著激子保持了一種量子力學(xué)上的關(guān)聯(lián)，使得它們可以同時(shí)存在于多個(gè)狀態(tài)，而不是被限制在單個(gè)狀態(tài)。

其他例子

除了量子導(dǎo)航、量子嗅覺和光合作用之外，還有一些其他的生物過程被認(rèn)為可能涉及到非平凡的量子效應(yīng)，例如：

呼吸作用：呼吸作用是將有機(jī)物氧化為二氧化碳和水，并釋放能量的過程，它是所有有氧生物的能源。在呼吸作用中，電子在一系列蛋白質(zhì)復(fù)合物之間傳遞，形成電子傳遞鏈。一些實(shí)驗(yàn)表明，在電子傳遞鏈中，電子可能利用量子隧穿來跨越空間障礙，并提高傳遞效率。

酶催化：酶催化是指酶作為生物催化劑加速化學(xué)反應(yīng)的過程，它是生命活動(dòng)中不可或缺的一環(huán)。在酶催化中，底物分子與酶結(jié)合形成過渡態(tài)復(fù)合物，并在酶的活性中心發(fā)生反應(yīng)。一些實(shí)驗(yàn)表明，在酶催化中，底物分子可能利用量子隧穿來加速反應(yīng)，并降低活化能。量子隧穿在酶催化中的作用可能與底物分子的氫鍵有關(guān)，因?yàn)闅滏I中的氫原子較輕，更容易發(fā)生量子隧穿。

總結(jié)

量子生物學(xué)是一個(gè)新興的領(lǐng)域，它探索了生命如何利用量子力學(xué)來實(shí)現(xiàn)一些難以用經(jīng)典物理定律解釋的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象可能給生物系統(tǒng)提供了一些優(yōu)勢(shì)，例如提高能量轉(zhuǎn)換的效率、增強(qiáng)感知和導(dǎo)航的靈敏度和準(zhǔn)確度、加速化學(xué)反應(yīng)的速率等。

量子生物學(xué)還面臨著許多挑戰(zhàn)和問題，例如如何在溫暖和濕潤的環(huán)境中保護(hù)量子相干和量子糾纏、如何在生物系統(tǒng)中測(cè)量和控制量子效應(yīng)、如何建立可靠的理論模型和計(jì)算方法等。

量子生物學(xué)可能會(huì)為我們理解生命的工作原理和進(jìn)化歷史提供新的視角和啟示，也可能為我們開發(fā)新的醫(yī)療技術(shù)和生物技術(shù)提供新的思路和方法。