从酶促反应的惊人速度到人脑的运作，科学家在对许多生物学谜题的探索中都发现了量子效应存在的证据。
研究人员可以像这样控制细胞与光的相互作用，这本身就是一项了不起的成就。但是，2018年，研究团队对这一发现作出了更令人惊讶的阐释。当科尔斯和几位合作者重新分析实验数据时，他们发现细菌和光子之间相互作用的性质比他们最初的分析结果更奇特。前后两篇论文的共同作者之一、英国牛津大学的物理学家弗拉特科·韦德拉尔（Vlatko Vedral）表示：“这对我们来说似乎是一个无法回避的结论，那就是我们间接证实了量子纠缠。”
量子纠缠是指两个或多个粒子相互依存的状态，不管它们之间相距多远。 这是亚原子世界的诸多反直觉的特性之一，比如电子和光子等粒子同时表现为粒子和波，同时占据多个位置和状态，并能穿过看似不可穿透的势垒。这种尺度下的物理过程是用量子力学复杂的数学语言描述的，并且经常产生看似违背常识的效应。正是使用这种语言，韦德拉尔及其同事们在谢菲尔德大学的实验数据中，检测到了光子和细菌之间发生量子纠缠的特征。
研究人员已经在无生命物体中多次证明了量子纠缠的存在。2017年，有科学家报告称，他们设法维持了相隔1 200千米的光子对之间的相互依存性。但是，如果韦德拉尔及其同事们提出的假设是正确的，也就是说，这种现象也存在于细菌中，那么该研究可能标志着人类首次在生物体内观察到量子纠缠，并且为日益增多的证据又增加了佐证，证明量子效应在生物学中并不像人们过去以为的那样罕见。
在生命系统的杂乱世界中，也许能观察到量子现象，这在历史上一直是一种边缘的观念。虽然量子理论准确地描述了构成所有物质的单个粒子的行为，但长久以来，科学家们认为，数十亿个粒子在环境温度下的集体运动会淹没任何奇特的量子效应，并且大量粒子的集体行为可以通过牛顿等人确立的更为人熟知的经典力学得到更好的解释。实际上，量子现象的研究者通常会仅仅为了消除背景噪声，而把粒子隔离在接近绝对零度的温度下——这一温度下几乎所有的粒子运动都停止了。
英国萨里大学的理论物理学家吉姆·艾尔﹣哈利利（Jim Al-Khalili）指出：“环境温度越高，粒子运动越快，背景噪声越嘈杂，这些量子效应就消失得越快。”他在2014年与他人合著了一本名为《神秘的量子生命》（Life on the Edge）一书，向非专业读者介绍了所谓的“量子生物学”。“因此，量子效应竟然坚持存留于细胞内，这几乎是荒谬的，反直觉的。不过，如果量子效应确实存留于细胞内——而且有很多证据支持，在某些现象中的确如此，那么生命一定有其特殊的运作机制。”
现在，不止是艾尔﹣哈利利和韦德拉尔，还有越来越多的科学家也认为，量子世界的效应可能是解释生物学中一些最大谜题（从酶催化效率到鸟类导航乃至人类意识）的关键，甚至可能受制于自然选择。
牛津大学的物理学家基娅拉·马莱托（Chiara Marletto）与科尔斯和韦德拉尔合作，发表了关于细菌中量子纠缠的论文，她指出：“整个领域都试图证明这一点，那就是，量子理论不仅适用于这些生物系统，而且还有可能测试这些系统是否利用量子物理学来发挥其功能。”
生物学反应中的量子效应
20世纪80年代中期，美国加州大学伯克利分校的生物化学家朱迪思·克林曼（Judith Klinman）确信，关于酶催化的传统解释是不完整的。当代理论认为，在形状匹配的基础上，酶与底物按照经典力学规律发生相互作用，依照规律将底物聚集在其活性位点，并稳定分子结构的过渡态，从而把反应速率加速到万亿倍或更高。但是，克林曼从酵母中提取酶进行体外实验时，却得到了奇怪的结果。
在催化苯甲醇氧化成苯甲醛时，醇脱氢酶会将氢原子从一个位置移动到另一个位置。出乎意料的是，当克林曼和她的同事们用较重的同位素氘和氚替代底物中的特定氢原子时，反应快速放缓。虽然酶催化的经典解释允许适度的同位素效应，却无法解释克林曼观察到的反应速率的大幅下降。克林曼表示：“我们所看到的现象偏离了现有理论。”
她的团队一直在深入研究此问题，后来在1989年，他们基于已经在酶研究者之中流传的想法，提出了一个假设：催化反应涉及一种称为“量子隧穿”（quantum tunneling）的量子“戏法”。艾尔﹣哈利利解释道，量子隧穿就像踢足球穿过一座山，这里所说的足球是指电子或其他粒子，而山则是指阻碍反应发生的能垒（energy barrier）。“在经典世界，你必须狠踢一脚才能让足球翻过山顶到达另一边，”他说，“而在量子世界，你不必如此费劲，你可以把足球踢到半山腰，足球就会突然消失，但会在另一边出现。”
克林曼的团队在这篇论文和后来的论文中提出，在苯甲醇氧化以及很多其他反应的催化过程中，氢转移是在量子隧穿效应的帮助下进行的。这有助于解释为什么氘和氚经常会延缓反应——因为更重的粒子隧穿能力更差，而且会使同一分子中的其他粒子的隧穿变得更难。艾尔-哈利利说，克林曼研究团队观察到的效应已被其他实验室复制到多种酶上，从而为生物系统中的量子效应假说提供了一些最有力的证据。
虽然现在人们普遍接受量子隧穿效应会在生物催化中发生，但研究人员对于量子隧穿效应在生物催化中的重要程度，以及它是否受自然选择影响存在分歧。例如，美国科罗拉多州立大学的化学家理查德·芬克（Richard Finke）指出，无论酶是否存在，一些反应都表现出相似程度的同位素效应，这暗示着酶不太可能经过了特别的进化适应，来增强其催化反应中的量子隧穿效应。目前还不清楚量子隧穿在多大程度上加速了反应。一些研究人员认为，在主要由经典力学主导的过程中，量子隧穿效应通常只不过发挥微弱的推动作用。
但克林曼认为，发生在酶中的量子隧穿效应远比想象的重要。她说：“酶可以产生促进隧穿的非常精确且紧凑的活性位点结构。”她指出，例如，在催化过程中，酶会改变构象，使氢供体和受体位点足够接近——彼此间距约0.27纳米，从而促进量子隧穿效应。
她的研究团队通过改变酶的活性位点，并观察反应速率和同位素效应如何在体外发生变化，来验证他们的这一想法。例如，2019年早些时候，该团队创造了一种大豆脂氧合酶的变体，使反应底物以不利于氢隧穿的方式略微错位。突变酶的催化能力比野生型低4个数量级，并且突变酶对氘取代氢更加敏感。
研究人员仍在量化量子隧穿效应在催化中的作用，克林曼强调，使用突变和计算建模等多种方法来确切了解蛋白质如何加速反应很重要。研究人员开展了酶的进化实验，在实验中反复选择蛋白质来增强酶的催化能力，这也可以让我们深入了解量子隧穿效应在催化中的作用大小——尽管近期至少有一项此类尝试尚无定论。2018年，一个研究团队把涉及氢转移的一个酶促反应中的酶进行了演变，得出的研究报告称，在整个演变过程中，量子隧穿效应“没有观察到显著变化”。
对上述问题的探讨，呼应了另一场正在进行的对话，那就是关于量子现象在地球上另一个关键的生物过程——光合作用过程中的重要性。当韦德拉尔及其同事正在研究细菌的光合作用结构是否与光子纠缠时，其他研究团队则一直在研究另一种量子效应如何促使光合作用的能量转移效率最大化。
在植物和一些微生物的捕光反应期间，光子激发叶绿素分子中包含的电子，产生一种称为“激子”（exciton）的实体。这些激子继而从一个叶绿素分子转移到下一个，直到它们抵达反应中心——这是一簇可以捕获和储存能量的蛋白质。
激子在转移过程中可能会失去能量，这意味着它们在叶绿素分子之间绕路越多，到达反应中心的能量就越少。物理学家早在几十年前就曾提出，如果这个转移过程是量子相干的，那么就可以避免这种能量浪费。也就是说，如果激子可以像波而不是像粒子那样传播，它们就可以同时尝试通往反应中心的所有路径，而只采用最高效的那条。
2007年，由两位化学家——加州大学伯克利分校的格雷厄姆·弗莱明（Graham Fleming）和华盛顿大学圣路易斯分校的罗伯特·布兰肯希普（Robert Blankenship）领导的研究团队称，他们在从绿硫细菌中提取的叶绿素分子复合物中，观察到了量子相干性，绿硫细菌是一种常见于缺乏光照的深海中的光合微生物。研究人员使用了一项技术对样品吸收和释放的能量进行分析，并在温度冷却至77 K的复合物中，检测到一种称为“量子拍”（quantum beating）的信号，他们将这种振荡解释为量子相干性的证据。在接下来的几年里，他们和其他研究团队在环境温度下复制了这一研究结果，并将其扩展到海藻和菠菜的叶绿素复合物中。
这些研究结果是否反映了量子效应对光合作用中的能量转移作出了有意义的贡献仍值得探讨。例如，在2017年，德国研究人员再次研究了绿硫细菌并报告，发现其量子相干效应持续时间不到60飞秒（即6×10-6秒），时间太短不足以协助能量转移到反应中心。但是2018年，另一个研究团队认为，叶绿素复合物中存在多种类型的相干性，有些量子相干确实显现出持续足够长的时间，从而在光合作用中发挥作用。其他一些科学家提示说，一些细菌可以通过产生不同形状却非常关键的光捕获蛋白来开启或关闭量子相干效应。这些研究发现再次引发了学界的猜测：光合作用结构可能像酶一样，已经进化到利用了量子现象的程度。
布兰肯希普指出，光合作用中的量子相干效应如今已是一个被广泛接受的现象。正如酶中的量子隧穿效应一样，“此时最关键的讨论是，量子相干效应是否真正影响系统的效率或其他方面，产生真正的生物学益处。我认为这个问题目前还没有定论。”
动物学谜题的量子解释
每年冬天，欧洲大陆北部的知更鸟都会向南迁徙数百公里到达地中海，这是一种通过磁觉（magnetoreception）——具体来说，就是鸟类探测地球磁场方向的能力——实现的导航壮举。但是，试图解释这种第六感的早期研究，比如鸟类依赖内部磁铁矿晶体进行导航的研究假说等都未能获得实验上的证据支持。
直到20世纪90年代末期，这个问题引起了索斯滕·里茨（Thorsten Ritz）的注意，他当时还是美国伊利诺伊大学厄巴纳﹣香槟分校的一名研究生（后来，他就职于加州大学尔湾分校），在已故生物物理学家克劳斯·舒尔滕（Klaus Schulten）的指导下，研究光合作用中的量子效应。他对隐花色素特别感兴趣，这是一种在鸟类视网膜中发现的光敏蛋白质。里茨说，现在已经有“很好的证据”证明隐花色素在鸟类磁觉中的作用。因此，在2000年，专注于研究这种蛋白质的里茨、舒尔滕和伊利诺伊大学的另一位同事，在舒尔滕早期理论工作基础上，发表了后来被称为“自由基对模型”（radical-pair model）的理论假说，来解释磁觉可能的运作机制。
里茨、舒尔滕等人提出，隐花色素蛋白质中的反应会产生一对自由基分子，每个分子各自都有一个孤电子，相互之间会发生量子纠缠，它们的行为对诸如地球磁场等弱磁场的朝向很敏感。自由基对相对于磁场的朝向变化，理论上可以触发下游的化学反应，从而使得信息以某种方式传递到大脑。
里茨继而与最早论述欧洲知更鸟磁觉的生物学家伉俪罗斯维塔·维尔奇科（Roswitha Wiltschko）和沃尔夫冈·维尔奇科（Wolfgang Wiltschko）合作，对该假说产生的一系列预测进行实验验证。例如，在2004年发表的一项研究中，该研究团队将知更鸟置于振荡的磁场中，根据“自由基对模型”的预测，该实验中磁场振荡所采取的频率和角度可能会破坏自由基对对地球磁场的敏感性。实验发现，这么做有效地破坏了知更鸟的导航能力。
从那时起，“自由基对模型”从各种磁觉理论假说中脱颖而出，获得越来越多的理论支持。2018年，针对一种隐花色素Cry4的分子特性和表达模式的两项研究指出，该蛋白质可能是斑胸草雀和欧洲知更鸟的磁感应受体。
要确定鸟类磁觉是否真的以这种方式起作用，并且揭示自由基对的孤电子之间的量子纠缠是否重要，还有待更多的深入研究。里茨表示，科学家们也还没有完全了解隐花色素如何将磁场信息传递给大脑。同时，他的研究团队正专注于突变实验，这可能有助于揭示隐花色素的磁敏感性。2018年秋天，牛津大学的化学家彼得·霍尔（Peter Hore）和德国奥登堡大学的生物学家亨里克·穆里岑（Henrik Mouritsen）领导的研究目标类似的项目“量子鸟类”（QuantumBirds），获得了欧洲研究委员会（ERC）的资助。
在动物感觉生物学中，磁觉不是引起量子物理学家兴趣的唯一谜题，研究人员希望破解的另一个科学上神秘的感觉是嗅觉。传统理论认为，气味分子与嗅觉神经元上的蛋白质受体结合，从而触发嗅觉。可是，实际中，一些形状几乎相同的气味分子却产生完全不同的气味，而另一些立体化学构型不同的气味分子却产生相似的气味，这些不能自圆其说的现象都使传统理论面临挑战。
20世纪90年代中期，英国伦敦大学学院的生物物理学家卢卡·都灵（Luca Turin，现在是一位受人尊敬的香水评论家）提出，嗅觉受体可能不仅对形状敏感，而且对气味分子化学键的振动频率敏感。他认为，当气味与受体结合，如果气味分子的化学键以某一频率振动，就可以促进受体内电子的量子隧穿效应。根据他的模型，这种电子转移会触发嗅觉神经元中的信号级联，最终向大脑发送神经脉冲。
伦敦大学学院的物理学家詹尼·布鲁克斯（Jenny Brookes）以数学方式阐述了这个问题，并证明它在理论上是可行的。她指出，该理论的实验证据还难以捕捉，但这也正是这一理论令人兴奋的部分原因所在。近年来，研究人员一直在寻找与酶反应中相似的同位素效应。如果量子隧穿效应发挥重要作用，那么，含有较重氢同位素的气味分子应该与正常分子的气味不同，因为它们的化学键的振动频率较低。
不同团队的研究结果并不一致。2013年，都灵的研究团队报告指出，人类可以区分含有不同同位素的气味剂。两年后，其他研究人员未能重现这一结果，并称该理论“难以置信”。但这一理论并没有过时。2016年，另一个团队报告指出，蜜蜂可以区分含有不同同位素的气味，而最近的理论研究则提出了一系列新的预测来帮助测试该理论模型的有效性。
在实验证据不足的情况下，理论工作也引起了研究人员对量子生物学解释的兴趣。例如，一些研究人员推测，在光合作用中起作用的量子相干效应，也可能影响视觉和细胞呼吸等广泛的生物现象。另一些人则提出，质子隧穿效应（proton tunneling）可以促进DNA中的自发突变，尽管艾尔﹣哈利利及其同事的理论研究表明，至少对他们建模的腺嘌呤﹣胸腺嘧啶碱基对来说，这不太可能。
诡异的量子效应可能在人类大脑中发挥作用，这一想法也许是量子物理学在动物世界最极端的延伸了。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家马修·费舍尔（Matthew Fisher）认为，神经元具有能够像量子计算机一样运行的分子机器，不是使用0或1这样的经典比特，而是运用可以同时处于0和1状态的信息单位——量子比特来工作。
费舍尔提出，大脑的量子比特编码在波斯纳分子（Posner molecules）内的磷酸根离子态上，波斯纳分子是在骨骼中发现的磷酸盐和钙簇，也可能存在于某些细胞的线粒体内。他的团队最近的理论工作认为，不同波斯纳分子中的磷酸根离子态可以相互纠缠持续数小时甚至数天，也许因此能够进行快速和复杂的计算。费舍尔最近获得资助，建立了一个称为“量子大脑”（QuBrain）的国际合作项目，通过实验寻找这些量子纠缠效应。很多神经科学家对该项目能否取得积极成果表示怀疑。
让量子生物学发挥作用
量子生物学中的大多数想法仍然很大程度地受到理论驱动而不是实验支持，但现在许多研究人员正试图缩小两者之间的差距。韦德拉尔的团队计划在2019年晚些时候，收集更多关于细菌中量子纠缠现象的数据，荷兰代尔夫特理工大学的物理学家西蒙·格勒布拉切尔（Simon Gröblacher）也提议在缓步动物中进行量子纠缠实验。2017年，艾尔﹣哈利利和《神秘的量子生命》一书的共同作者——萨里大学的生物学家约翰乔·麦克法登（Johnjoe McFadden）一起，帮助建立了量子生物学博士培训中心，以鼓励跨学科探讨并推进研究工作。麦克法登说：“在更广泛的科学家和研究资助者群体中，如果你说你正在研究生物学中的量子力学，那么现在别人不会认为你是彻底疯了，只是会觉得这有点古怪。”
接受《科学家》杂志采访的其他研究人员也强调，无论理论机制是否获得实验支持，量子生物学的推测本身都是有价值的。“随着技术微型化发展，我们可以从生物世界的丰富信息宝库中汲取灵感，”理论物理学家和量子计算研究员、科技公司SAP Africa的创新总监阿德里安娜·马雷（Adriana Marais）说，“这是一个探究生命是什么的绝佳机会，同时也是从生物世界吸取经验，学习如何以最优方式在这种微尺度下设计工艺流程的绝佳机会。”
量子生物学在现实世界的应用，包括从更高效的太阳能电池到新型生物传感器技术。2018年，一个研究团队提出了一个“仿生鼻子”的设计，部分基于嗅觉的量子理论，用以检测微量浓度的气味剂。霍尔和其他人强调，用以解释磁觉的自由基对机制或许可以应用于探测弱磁场的装置。
“我们可以利用获得的信息来设计基于这些原理的系统，”里茨说，“即使事实证明这并不是鸟类磁觉的机理。”
资料来源 The Scientist