量子力學是關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象，如量子隧穿、量子糾纏等。然而，我們想要觀察到這些現象，需要在極低的溫度下進行。長期以來，我們認為生物系統太熱、太混亂，導致退相干的發生，以致于量子物理不會在其中起作用。

然而，隨著研究的繼續進行，我們漸漸意識到生命每天都在運用著量子力學。其中最為我們所熟知的是動物利用量子力學進行導航，而令我們震驚的是，我們的鼻子之所以能嗅到氣味，也是量子力學的結果。

量子導航

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

磁鐵體假設認為，動物體內存在一些含有磁鐵體（一種鐵氧化物）的細胞或結構，它們可以被地球磁場影響，并產生一種力或電信號，從而傳遞給神經系統。這種假設可以解釋一些動物對磁場強度和方向的感知，以及對人工磁場的反應。

光化學反應假設認為，動物體內存在一些含有隨機色素的細胞或結構，它們可以在光照下發生一種特殊的化學反應，產生一對自由基。這對自由基之間存在一種量子力學上的關聯，稱為量子糾纏，它使得它們的自旋狀態相互依賴。地球磁場會影響這對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系統檢測到，并轉化為視覺信號或其他形式的信息。這種假設可以解釋一些動物對磁場方向和極性的感知，以及對光線顏色和強度的依賴。

在生物系統中觀察到量子糾纏是非常令人驚訝的，因為生物系統面臨著熱噪聲和分子碰撞的干擾，這些干擾會迅速地破壞量子糾纏。為了解釋這一現象，一些理論模型提出，生物系統可能利用了一些特殊的機制來保護量子糾纏，例如使用特定的分子結構來隔離隨機色素，或者利用光線的偏振來增強量子糾纏。 這些機制可能是經過自然選擇優化的結果，使得生物系統能夠利用量子糾纏來提高磁感應的靈敏度和準確度。

量子嗅覺

動物可以通過嗅覺受體細胞上的嗅覺受體蛋白來感知氣味分子。嗅覺是生命活動中重要的一種感官，它可以幫助動物尋找食物、避開危險、識別同伴等。嗅覺的機制目前還不完全清楚，但有兩種主要的假設：一種是基于分子形狀，一種是基于分子振動。

分子形狀假設認為，嗅覺受體蛋白可以識別氣味分子的形狀，并產生相應的信號。這種假設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合位點相匹配，才能引發嗅覺反應。但這種假設遇到了一些麻煩，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，實驗發現，我們能夠區分兩種氣味，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假設，它認為嗅覺受體蛋白可以識別氣味分子的振動頻率。每一種化學鍵都有其共振頻率，所以不同的分子就有了不同的振動特征。科學家也會通過這種特性來計算分子的組成：用激光照射這些分子使其分子鍵振動而后發出光，我們就可以根據光的頻率計算其中的化學組成。

而鼻子使用另一種方法進行檢測，使用電子的量子隧穿。當氣味分子進入鼻子時，其振動能量使電子隧穿到感受器的另一端。一旦電子到達新位置，它就會失去能量而發出一個光子。這種光子可以被我們的鼻子所識別，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現象呢？目前，這個問題還沒有確定的答案，但有一些實驗和理論研究支持了分子振動假設。

光合作用

光合作用是將光能轉化為化學能的過程，它是地球上所有植物和一些細菌的能量來源。在光合作用中，光能被分子吸收，并產生激子，這些激子通過一系列蛋白質傳遞到反應中心，進而觸發一系列化學反應，將水分解為氧氣，并將二氧化碳還原為有機物。(www.ws46.Com)

一個關鍵的問題是，激子是如何在分子之間傳遞的？經典物理學預測，激子會隨機地在分子之間跳躍，直到找到最低能量的路徑到達反應中心。然而，這種隨機游走會導致很多能量損失和效率降低。

實驗發現，在某些光合作用系統中，激子并不是隨機游走，而是以一種類似于波動的方式同時探索多條路徑，并選擇最佳路徑到達反應中心。這種現象被稱為量子相干，它意味著激子保持了一種量子力學上的關聯，使得它們可以同時存在于多個狀態，而不是被限制在單個狀態。

其他例子

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

呼吸作用：呼吸作用是將有機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復合物之間傳遞，形成電子傳遞鏈。一些實驗表明，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反應的過程，它是生命活動中不可或缺的一環。在酶催化中，底物分子與酶結合形成過渡態復合物，并在酶的活性中心發生反應。一些實驗表明，在酶催化中，底物分子可能利用量子隧穿來加速反應，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，因為氫鍵中的氫原子較輕，更容易發生量子隧穿。

總結

量子生物學是一個新興的領域，它探索了生命如何利用量子力學來實現一些難以用經典物理定律解釋的現象。這些現象可能給生物系統提供了一些優勢，例如提高能量轉換的效率、增強感知和導航的靈敏度和準確度、加速化學反應的速率等。

量子生物學還面臨著許多挑戰和問題，例如如何在溫暖和濕潤的環境中保護量子相干和量子糾纏、如何在生物系統中測量和控制量子效應、如何建立可靠的理論模型和計算方法等。

量子生物學可能會為我們理解生命的工作原理和進化歷史提供新的視角和啟示，也可能為我們開發新的醫療技術和生物技術提供新的思路和方法。