量子生物學(xué)（）是一門企圖將量子熱學(xué)的原理應(yīng)用于生命系統(tǒng)的稀有領(lǐng)域。它常被覺(jué)得是一個(gè)新的學(xué)科，由于近些年來(lái)有研究表明，一些生物現(xiàn)象（例如光合作用、酶催化、鳥類遷徙或觸覺(jué)）可能也應(yīng)用到了量子熱學(xué)中的相干性、隧穿或糾纏等特點(diǎn)。
這種重要的發(fā)覺(jué)都是在過(guò)去二六年中出現(xiàn)的，但量子生物學(xué)的癥結(jié)卻可以溯源到更早的時(shí)期。1943年，化學(xué)學(xué)家薛定諤就在蘇黎世三一大學(xué)的一系列講演中闡述了量子熱學(xué)才能怎樣在生物過(guò)程中發(fā)揮作用。這被許多人視作是最早踏足量子生物學(xué)領(lǐng)域的嘗試之一。但據(jù)近日發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)A》上的一篇論文所述，這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上可以溯源量子熱學(xué)的發(fā)展早期，也就是20世紀(jì)20年代。
論文的作者之一是一名微生物學(xué)家，也是德國(guó)昂熱學(xué)院量子生物學(xué)中心的校長(zhǎng)。他說(shuō)：“人們都誤以為量子生物學(xué)是一門十分新的學(xué)科，實(shí)際上它在二戰(zhàn)之前就早已開始了。那時(shí)侯，一些量子化學(xué)學(xué)家企圖理解生命本身的特殊之處，以及量子熱學(xué)是否能為這一問(wèn)題提供新的思路。”論文的另一名作者是在布萊頓學(xué)院的同學(xué)JimAl-。
○論文：《量子生物學(xué)的起源》。
事實(shí)上，量子生物學(xué)在過(guò)去始終缺少可效度，直至近些年出現(xiàn)一些有趣的研究，才表明這個(gè)看法是值得探究的。諸如，越來(lái)越多的證據(jù)表明光合作用須要依賴量子效應(yīng)來(lái)幫助動(dòng)物將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為燃料；候鳥可能擁有一種內(nèi)部的“量子羅盤”，能幫助它們感知月球磁場(chǎng)繼而為它們導(dǎo)航；量子效應(yīng)也可能在人類的味覺(jué)中發(fā)揮作用，幫助我們分辨不同的味道。（詳見(jiàn)：《量子生物學(xué)：企圖闡明自然界的奧秘》）
更具爭(zhēng)議的是，在1989年，物理化學(xué)學(xué)家彭羅斯提出了一種名為“微管”的神秘蛋白質(zhì)，他覺(jué)得這些蛋白質(zhì)其實(shí)可以對(duì)量子效應(yīng)加以借助，并把握著人類意識(shí)的秘密。極少有研究人員相信這是真的，并且加洲學(xué)院圣巴巴拉學(xué)校的數(shù)學(xué)學(xué)家近來(lái)提出，磷原子的核載流子其實(shí)能在腦部中充當(dāng)簡(jiǎn)單的“量子比特”。換句話說(shuō)，意識(shí)可以像量子計(jì)算機(jī)一樣運(yùn)作。
這就是為何和Al-在2015年出版了她們最暢銷的科普書籍《神秘的量子生命：量子生物學(xué)時(shí)代的到來(lái)》。一篇沒(méi)有被最終收錄于書中的章節(jié)是關(guān)于這一領(lǐng)域的歷史起源，但這一章節(jié)的內(nèi)容成為了這篇最新論文的基礎(chǔ)。
到了1927年，基于玻爾、海森堡、泡利、薛定諤、狄拉克、玻恩、約當(dāng)、費(fèi)米等人的努力，量子熱學(xué)的物理框架也被構(gòu)建了上去。因?yàn)榱孔訜釋W(xué)在解釋原子世界取得了巨大的成功，量子化學(xué)學(xué)家因此倍感激動(dòng)不已。她們走出化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，離開黑板，找尋新的有待被征服的科學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)，微生物學(xué)以及新興的遺傳學(xué)和染色體遺傳理論依然是未被探求的領(lǐng)域，越來(lái)越多的生物化學(xué)學(xué)家和生物物理家開始被吸引到那些領(lǐng)域。
1932年，劍橋甚至有一個(gè)理論生物學(xué)俱樂(lè)部，俱樂(lè)部里的成員包括化學(xué)學(xué)家、哲學(xué)家（如卡爾·波普爾）和生物學(xué)家。Al-說(shuō)：“他們都覺(jué)得生命中有一些很非常的東西，認(rèn)為數(shù)學(xué)學(xué)和物理中仍未發(fā)覺(jué)的原理可能有助于找到物理和生物學(xué)之間的過(guò)渡。”當(dāng)然，對(duì)她們中的許多人來(lái)說(shuō)，這更多的是一種愛(ài)好，她們并沒(méi)能取得多大進(jìn)展。但這種初期的討論無(wú)疑對(duì)薛定諤形成了巨大的影響。
運(yùn)用數(shù)學(xué)學(xué)和物理原理來(lái)解釋生命系統(tǒng)這個(gè)觀點(diǎn)并沒(méi)有完全勸說(shuō)玻爾，但在1929年的北歐自然科學(xué)家大會(huì)上，他在一次講演中簡(jiǎn)略地提及了這些可能性。其中深受啟發(fā)的就有日本化學(xué)學(xué)家約當(dāng)，他也是一篇奠定了量子熱學(xué)的物理基礎(chǔ)的論文的作者之一。在20世紀(jì)30年代末，他開始使用“量子生物學(xué)（）”一詞，并在薛定諤發(fā)表《什么是生命》的前一年發(fā)表了《物理學(xué)和有機(jī)生命的秘密》一書。在書中，他闡述了原子和量子化學(xué)學(xué)是否對(duì)生命至關(guān)重要。
不幸的是，約當(dāng)是納粹黨的忠實(shí)成員（雖然他為愛(ài)因斯坦這樣的猶太科學(xué)家辯護(hù)使他在納粹黨眼里是“政治上不可靠的”）。他企圖將他的量子生物學(xué)理論與納粹哲學(xué)聯(lián)系上去——甚至宣稱一個(gè)極權(quán)的領(lǐng)導(dǎo)人（元首）是生命的核心原則，這樣的言論也敗壞了這種理論的聲譽(yù)，因而喪失了其他科學(xué)家的信任。
Al-說(shuō)：“如果換做是其他化學(xué)學(xué)家，或許人們對(duì)量子生物學(xué)會(huì)愈發(fā)重視，并繼續(xù)地思索其中的問(wèn)題。但約當(dāng)?shù)谋尘按偈惯@被視作是一個(gè)令人討厭的研究領(lǐng)域。”
為此，讓量子生物學(xué)的火焰繼續(xù)燃燒的重?fù)?dān)落到了薛定諤頭上。Al-說(shuō)：“在他的一本電腦上有一張知名的圖片，里面畫著染色體的圖形，他企圖理解染色體是怎樣存儲(chǔ)信息的。他想曉得是哪些讓生命處于這些高度有序的狀態(tài)。”在《什么是生命》一書中，薛定諤覺(jué)得，與無(wú)生命物質(zhì)不同的是，生命物質(zhì)可以遭到單個(gè)量子風(fēng)波的影響。個(gè)別材料當(dāng)被冷卻到接近絕對(duì)零度的氣溫時(shí)向物理學(xué)家一樣思考，才會(huì)表現(xiàn)出一些量子效應(yīng)，比如內(nèi)阻會(huì)消失的超導(dǎo)效應(yīng)。按照薛定諤的說(shuō)法，生物在溫度下也會(huì)表現(xiàn)出這種類型的效應(yīng)，其實(shí)正是由于它有很高的有序度。
一個(gè)具體的反例是他思索了果蠅是怎樣通過(guò)“不斷地從環(huán)境中汲取有秩序的東西”，因而從無(wú)序中生出秩序、讓熵降低（這也許違背了熱力學(xué)第二定理）的。按照化學(xué)學(xué)理論，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中——熵總是降低的向物理學(xué)家一樣思考，并且生物不是孤立的系統(tǒng)。果蠅似乎能從無(wú)序中提取出有序，但它所處環(huán)境的熵也會(huì)相應(yīng)降低。薛定諤還提出一種“非周期性晶體”可能包含了遺傳信息，以及突變是通過(guò)“量子躍遷”發(fā)生的。（所謂非周期性晶體是指一種原子非隨機(jī)排列的結(jié)構(gòu)，它為細(xì)胞編碼一套穩(wěn)健的“密碼”，但缺少晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。）
《什么是生命》在當(dāng)時(shí)引發(fā)了巨大的反響。克里克和沃森稱這本書迸發(fā)了她們關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的思索，以及羅莎琳德·富蘭克林的X射線衍射實(shí)驗(yàn)。但在那以后，量子生物學(xué)的熱度就漸漸消退了。在此后的幾六年里，化學(xué)學(xué)家普遍覺(jué)得生命系統(tǒng)太過(guò)喧鬧，因而太過(guò)分脆弱的量子效應(yīng)難以在像活細(xì)胞這樣復(fù)雜的環(huán)境中持續(xù)存在。
其中的問(wèn)題就在于量子退相干。糾纏是量子效應(yīng)的關(guān)鍵：它以一種特殊的方法將兩個(gè)或兩個(gè)以上的物體聯(lián)接在一起，使它們即使相隔很遠(yuǎn)，也能互相影響。愛(ài)因斯坦曾給它取了一個(gè)響亮的名號(hào)：“鬼魅般的超距作用”。但是哪怕是最輕微的互相作用（例如與單個(gè)光子發(fā)生碰撞）就會(huì)破壞這種糾纏。（相干性是量子態(tài)在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)與自身或與其他態(tài)發(fā)生的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。與相干對(duì)立的是退相干：當(dāng)孤立的量子系統(tǒng)被打開，并活躍地與它們的原子環(huán)境發(fā)生互相作用時(shí)，它們會(huì)迅速地退相干，喪失它們量子熱學(xué)上的協(xié)同特點(diǎn)，也就是它們的相干性，并開始表現(xiàn)出精典的宏觀行為。退相干是制約建造量子計(jì)算機(jī)的重大障礙。）
Al-說(shuō)：“通常我們覺(jué)得，環(huán)境越復(fù)雜，就越快退相干，如同低溫物感受在高溫環(huán)境中冷卻一樣。倘若不是這樣的話，我們?cè)缇驮斐隽孔佑?jì)算機(jī)了。這么，怎么能夠使這種微妙的量子效應(yīng)維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，因而讓它們發(fā)揮作用呢?”
目前的看法是，在退相干出現(xiàn)之前，可能存在一些量子過(guò)程可以在其中發(fā)揮作用的生命系統(tǒng)。這是由于這樣的系統(tǒng)依賴于微小尺度上（只有幾個(gè)納米）的少數(shù)分子的運(yùn)動(dòng)，使它們維持足夠的孤立。事實(shí)上，量子信息論的近日研究表明，噪音實(shí)際上可能可以支持個(gè)別系統(tǒng)中的量子相干。
其實(shí)在數(shù)十億年的進(jìn)化過(guò)程中，大自然早已學(xué)會(huì)了怎么維持量子相干因而借助這種效應(yīng)，只是我們還不曉得怎么做到這一點(diǎn)。
