闭上眼睛，想象一下——一缕“香奈儿5号”的香气在空气中弥漫，带着细腻的花香和温暖的香草气息，瞬间将你带入奢华与优雅的世界。你有没有想过，这令人沉醉且难忘的气味是如何被你捕捉到，并悄悄地打动你的呢？
或许，这要归功于我们身体内部的量子效应。科学家们发现，我们的嗅觉系统可能利用了量子隧穿效应来识别那些微妙而复杂的气味分子。
嗅觉，是生物学中量子“魔法”的一个绝佳例证。即便是嗅觉并不敏锐的人，也能区分出许多不同的气味。而对于专业的调香师来说，他们能够辨别出数百种细微差异的香味，这种能力足以与顶级品酒师相媲美。
那么，嗅觉究竟是如何实现的呢？关键在于我们的鼻子内部拥有大量的分子受体，为气味分子提供了活动的舞台。如果空气中的某个分子刚好有与分子受体互补的形状，它们就能结合起来，像成套的锁和钥匙那样。一旦对接过程发生，信号就会被传导至大脑：“香奈儿5号”或诸如此类的信息。
尽管这种“锁和钥匙”模型解释了部分嗅觉过程，但并不能完全解决所有问题。大小和形状相似的分子可能会发出完全不同的气味，而不同结构的分子却可能产生相似的气味。这表明还有其他机制在发挥作用——拥有更敏锐感觉的麦克斯韦妖。
有观点认为，除了分子的大小和形状外，其振动特性也可能影响气味。分子的振动模式类似于乐器发出的音色，由特定谐波混合而成。当这些振动模式到达鼻腔内不断抖动的受体时，会进一步区分不同的气味。
伦敦大学学院的卢卡·图林指出，量子力学也许在其中扮演着某种角色。一个电子之所以能从气味分子转移到受体，正是量子隧穿效应发挥作用的结果。图林认为，隧穿电子与气味分子的振动状态耦合在一起，而且受体分子中的电子被调至与气味分子的特定振动频率相匹配的能级。隧穿电子通过从振动中吸收一个能量子（物理学家称之为“声子”，是一种声波量子），将停靠在鼻部的气味分子的身份信息传递给受体。如果电子的能量与受体的能级结构相匹配，隧穿效应就会发生，从而将信息传递给大脑。
量子隧穿示意图
《蚁人2：黄蜂女现身》大反派Ghost的“幽灵”战衣就是“量子隧穿”的宏观表现
图林的想法促进了嗅觉振动理论的发展，并为各种气味间令人困惑的相似性和差异性提供了一种可能的解释：这些差异可能源于气味分子的振动模式，而不是形状。为了验证这个理论，可以改变气味分子的振动模式，同时保持其化学结构不变。例如，将普通氢原子替换为其同位素氘（质量大约是普通氢原子的两倍）可以显著改变振动频率，但不会改变化学结构。一些实验确实发现，这种转换会改变气味。
为进一步确认此理论，图林的另一项实验则提供了更多支持。他训练果蝇躲避含有氘原子的气味，并发现它们也会避开其他具有相似振动模式的不相关分子。这表明，至少对于果蝇而言，量子隧穿效应在识别气味时起到了关键作用。
这些研究揭示了嗅觉背后复杂而精妙的量子机制，为我们理解生物感官提供了新的视角。
量子力学仅存在于嗅觉中吗？我们不禁对生命与量子力学之间的奇妙交织产生了更深的好奇。嗅觉只是生命众多感官中的一个，然而，量子力学在生命现象中的影响却远不止于此。从生物体内的能量传递到遗传信息的复制，再到神经信号的传导，量子力学似乎无处不在，与生命活动紧密相连。
量子效应助力深海光合，未来能源新希望
在深海之下，隐匿着一群特殊的居民——绿硫细菌，这些微小的生命体，虽然不起眼，但却拥有一种令人惊叹的能力：即使在微弱到几乎不可见的红光中，它们依然能够借助火山口散发的昏暗红光进行光合作用，而且，这一过程几乎没有任何能量浪费。
很长时间以来，科学家一直想搞清楚光合作用如何高效地完成了能量传递。现在，非凡的量子效应似乎为此铺平了道路。
加利福尼亚大学伯克利分校的格雷厄姆·弗莱明及其团队专注于研究绿硫细菌。这些不起眼的微生物生活在湖水以及海平面往下5千米的深海火山口附近。没有阳光能到达这一深度，但炽热的火山口发出一种昏暗的红光，正是这一微弱的光源使绿硫细菌得以存活。该光源的“微弱”程度可以得到量化：据估计，每个负责光合作用的分子复合体一天大约只能获得一个光子，这是一片植物叶子每天所获得光子量的1/1024。由于周围的光子极少，绿硫细菌需要竭尽全力地利用好它们获得的能量。实际上，绿硫细菌能以近100%的能量利用率进行光合作用，几乎没有能量被浪费掉。
绿硫细菌光合作用光反应系统（图片来源：Chen et al., 2020）
它们是如何做到的呢？原来，绿硫细菌有着一套独特的工作机制。当光子逐个被吸收到捕光触须中时，这些触须里充满了叶绿素分子。在极短的时间内，被捕获的能量就会通过一种类似电缆的介质传输到化学反应中心，驱动化学反应的进行。而这里的“电缆”，其实是由8个叶绿素分子组成的FMO复合体，它们之间以1.5纳米的间隔精确排列。
尽管这个过程听起来复杂且容易出错，但实际情况却非常高效。这得益于量子力学中的一个现象——激子，这种带有波属性的粒子能同时筛选所有选项，并找出通往化学反应中心的最佳路径，并踏上这条路径。这就像是一个超级麦克斯韦妖，在量子世界里同时“知道”所有的可行路径，并迅速选出最优的一条，确保能量能够快速、安全地到达目的地。
为了研究这个机制，加利福尼亚大学伯克利分校的团队使用超快激光来激发FMO复合体。他们惊讶地发现，“量子节拍”在能量高速传递过程中发挥了关键作用。更令人惊奇的是，虽然热骚动可能会对这一过程造成干扰，但适当的热噪声反而能提高效率，使得绿硫细菌的光合作用更加高效。这仿佛是大自然精心设计的杰作，让这些微小的生命能够在如此恶劣的环境中顽强生存。
虽然目前我们还不清楚植物身上的量子效应是否和细菌差不多，但他们的实验至少证明了一点，量子辅助的能量传递至少在一种生物捕获光的基本过程中发挥了作用。
想象一下，如果我们能够模仿绿硫细菌的量子光合作用机制，开发出一种高效、环保的人工光合作用设备，那么，我们将能够更充分地利用太阳能，为可再生能源产业带来巨大的推动；或者，利用量子技术来优化现有的能源传输和储存系统，设计出更高效、更稳定的能源传输线路和储存设备，从而降低能源损失，提高能源利用效率。
量子导航或可实现全新的定位时代
毛脚燕大约在每年的5月6日抵达寒冷地区，开始新一轮的生活；北极燕鸥每年飞越8万千米，从北极到南极，追寻着生存与繁衍的可能；白颊林莺虽然只有12克重，但它们可以不停歇地从新英格兰地区越过大西洋飞到加勒比地区，并在那里过冬。有些鸽子在飞行数百千米后，仍能准确地找到回家的路。
图片来源：流浪自然
这些鸟类是怎么做到相隔千万里的迁徙之旅？量子力学或许可以为其提供一个合理的解释。
在鸟类的视网膜中，有一种名为“隐花色素”的蛋白质，它含有一种特殊的有机分子。当这些分子中的电子被光线击中并弹出时，它们并未完全与原分子断绝联系，而是与留下的电子形成一种神秘的“纠缠”状态。这正是爱因斯坦所描述的“鬼魅般的超距作用”，在这种纠缠关系的指引下，即使环境磁场发生变化，这些电子也能在一定时间内保持稳定地影响化学反应的过程。
根据鸟类指南针理论，这些被弹射出的电子和剩下的带正电荷分子要么重新结合，要么与视网膜中的其他分子反应，形成神经递质，向大脑发送信号。这一过程直接受地球磁场与隐花色素分子的夹角影响，所以理论上讲，鸟类或许真的能够“看到”磁场，从而指引它们的迁徙之路。
德国法兰克福大学的科学家们发现，当环境光的波长和强度变化时，知更鸟的测向能力也会改变。此外，增加环境磁场强度会暂时干扰它们的方向感，但这些聪明的小家伙很快就能重新校准自己的磁感应系统，恢复正确的方向感。
来自加利福尼亚大学欧文分校的索尔斯滕·里茨通过实验表明，当无线电频率（兆赫）的电磁波垂直于地磁场发射时会干扰鸟类导航，这进一步证实了量子效应在鸟类迁徙中的重要作用。研究人员将在不同频率的电磁波和不同的环境光条件下所做的很多实验的结果综合起来，发现了共振现象的存在。如果量子诠释是正确的，人们就可以合理地预期共振现象的出现，因为无线电波可以被调到有机分子的典型跃迁频率，并且有可能干扰重要的如鬼魅般的量子纠缠的产生。
无论是无人驾驶汽车、航空航天还是深海探索，精确的导航都是至关重要的，如果可以实现全新量子导航技术，那将彻底改变我们的交通和定位方式，量子导航技术有望成为未来导航领域的一大革命性突破，引领我们进入一个全新的定位时代。
然而，需要注意的是以上探讨过的所有假定性的量子生物学效应仍在被人们激烈地争论着。有些早期断言过于夸大，在得出任何明确结论之前还需要做更多实验。
在我们深入探索了生命与量子力学之间的神秘联系后，不难发现，科学家们对生命的研究已经远远超越了传统的生物学范畴。如今，他们正跨越学科界限，将物理学、计算机科学和数学的原理与方法融入生命科学的研究中，以期揭示生命更深层次的奥秘。
在这一探索过程中，保罗·戴维斯通过《信息、生命与物理学》一书为我们提供了新的视角。他指出：“生命的内在逻辑是信息。掌握信息可以降低不确定度，这使生命脱离了无序，与非生命区分开来。”这一见解不仅揭示了信息在生命活动中的核心地位，还为我们理解生命的本质提供了新的思路。
作者：[英]保罗·戴维斯（Paul Davies）
译者：王培
出版时间：2024年7月
中信出版集团·鹦鹉螺
当我们审视生命体时，会发现串联起其物质复杂性（生命的“硬件”）的，正是那更为令人惊叹的信息复杂性（生命的“软件”）。这种信息复杂性不仅体现在生命体的遗传信息中，还贯穿于其生长、发育、代谢、感知和响应环境的全过程。在信息领域，我们才真正邂逅了生命的创造力，领略到其精妙与神奇。
信息网络和逻辑计算，正是生命这台精妙机器具有“魔力”的根本原因。它们使得生命能够在复杂多变的环境中稳定存在，并不断进化与创新。而当我们运用多学科的知识和方法来探究这些信息网络和逻辑计算时，便能够更深入地理解生命的起源、演化及其内在逻辑。
这种跨学科的研究不仅具有深远的理论意义，还有着广阔的应用前景。它可以为技术和医疗领域带来革命性的变革，使我们能够更透彻地理解癌症的深层根源、鸟类导航的奥秘、量子计算的原理以及人脑意识的产生等问题。甚至，它还有可能帮助我们阐明那个古老而深奥的问题：生命是否必然出现？
在这个充满无限可能的研究领域中，我们期待着更多科学家们的加入和探索，共同进行探索生命相关科学的精彩绝伦之旅。
