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鳥類靠地磁場導航,竟然用到了量子力學?

來源:環球科學 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

  任何學科都有它自己的適用范圍,但它和人們固有印象中的范圍并不一定一致,并且學科的適用范圍可能隨著時代的發展而產生改變。所以,聽到量子生物學時,其不可思議程度,甚至會讓有些人懷疑這是民科編出來的學科。但它的確是當前生物學的一個研究方向,甚至現在發現了越來越多生物體內存在量子效應的證據。

  撰文|王昱

  審校|吳非

  早在1944年,薛定諤(就是“虐貓”那個)在他的著作《生命是什么》(What is Life?)就曾設想過將量子力學機制應用到生物學上,用于研究遺傳系統。但半個世紀以來,相關領域始終沒有什么顯著進展。直到近二十年,越來越多出現在生物學中的量子效應,讓量子生物學成為了一個嚴肅的科研方向。

  科學家已經找到了一些生物學中的量子效應,比如某些酶催化反應中涉及量子隧穿。除了這種生物學基本反應,量子力學同樣可能出現在更直觀的例子中,比如光合作用中涉及到的波粒二象性,以及鳥類遷徙時的導航,可能依靠基于自由基對中糾纏電子自旋狀態的化學反應。

  雖然我們無法感知量子效應,但人類細胞也可以對磁場做出響應。近日,東京大學的科學家發現:由于量子效應,海拉細胞內的熒光能對磁場作出反應,這項發現為“鳥類導航時用量子效應識別磁場”的假說提供了新的直接證據。由此,我們不得不考慮量子生物學的更廣泛應用。

  從生物導航到量子力學

  包括鳥類、海龜、魚類在內的多種動物都會進行遷徙。對這些動物而言,地磁場是長距離遷徙過程中的可靠參照物。不過地磁場的變化非常微弱,在南北方向平均只有每千米3納特斯拉(nT)、0.009o的變化,東西方向更是要少得多。同時,地磁場很容易受到各種因素造成的30~100 nT的干擾。

  很難想象鳥類這種快速移動的生物,是如何用這樣的地磁場實現10~30千米精度的導航的。至少它們需要對磁場有十分準確的感應。2018年,《自然》雜志刊登了一篇關于遷徙動物長距離導航和磁感的綜述,其中總結了三種可能的磁感產生方式,分別為電磁感應、基于磁性粒子的磁感受和基于自由基對(radical pair)的磁感受。其中,基于自由基對的磁感受與量子力學緊密相關。

  隱花色素(cryptochrome)是一種在鳥類視網膜中發現的蛋白質,在上世紀90年代時就吸引過科學家的注意。在光熱等外界條件下,隱花色素共價鍵發生均裂,形成的具有不成對電子的原子或基團,就是自由基。根據泡利不相容原理,形成共價鍵的兩個電子自旋必須相反。當自由基成對產生時,它們的自旋狀態被認為保持糾纏狀態,互相關聯。而磁場的出現會讓原本處于簡并的能級分裂,產生三重態(triplet),改變能級,從而影響一些化學反應。根據上述假說,這些化學反應產生的影響傳入鳥類大腦后,經過處理,鳥類就能對磁場做出反應,從而進行導航。

  改變的熒光

  但這只是一種理論,需要更多的實驗驗證。

  例如,在2004年發表的一項研究中,研究小組將知更鳥暴露于以模型預測的頻率和角度振蕩的磁場中,這破壞了自由基對對地磁場的敏感性,進而破壞了鳥類的導航能力。

  2018年,對隱花色素Cry4的分子特性和表達模式的兩項研究表明,該蛋白可能是斑馬雀科和歐洲知更鳥的磁感受器候選體。

  而在一項發表于《美國科學院院刊》的近期研究中,東京大學的科學家首次直接觀察到這個假設中的反應——并且不是在鳥類細胞中,而是人類細胞中。關鍵的隱花色素并不僅僅存在于鳥類視網膜中,它在多種生物的多類細胞中都有發現,被認為和晝夜節律的調節有關。雖然人類無法感受磁場,但人類細胞中同樣含有隱花色素,并且人類細胞中的自體熒光也會受到磁場影響。

  論文作者喬納森·伍德沃德(Jonathan Woodward)說:“我們沒有向這些細胞中添加或移除任何東西。我們認為這是一個有非常有力的證據,表明我們已經觀測到了影響細胞水平化學活性的純量子力學過程。”

  科學家將海拉細胞(HeLa cells)放置于藍光環境中,細胞會發出微弱的熒光。這是由于隱花色素吸收了光子之后進入高能態,內部發生電子轉移產生自由基對。自由基對在重新組合時,放出光子,就形成了熒光。

  而整個過程中,由于自由基對內部的電子保持糾纏狀態,因此可以將其看作一個受磁場影響的整體。能級會受磁場影響而發生分裂,從單態變為三重態,自由基對產生的速率也就因此下降。在實驗中的表現,就是細胞的熒光變暗。

  實驗向海拉細胞施加變化的磁場,實驗發現在±25 mT的磁場的影響下,細胞熒光相比沒有磁場時平均會減弱1%~2.5%。或許在人類大多數體細胞中,這些熒光難以被察覺,但是如果處于視覺敏銳的鳥類的視網膜中,就有可能讓它對磁場的變化作出反應。

  伍德沃德說:“這項研究的有趣之處在于,兩個電子的自旋之間的關系可能會對生物學產生巨大的影響。”

  鬼魅的量子與生物的行為之間都能產生聯系,足以讓我們懷疑生物學還有哪些方面,是由基礎物理深處的怪異現象引起的。縱使有些違背直覺,但多學科深度融合繼續發展的腳步不會停止。

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