量子生物學（）是一門企圖將量子熱學的原理應用于生命系統的稀有領域。它常被覺得是一個新的學科，由于近些年來有研究表明，一些生物現象（例如光合作用、酶催化、鳥類遷徙或觸覺）可能也應用到了量子熱學中的相干性、隧穿或糾纏等特點。
這種重要的發覺都是在過去二六年中出現的，但量子生物學的癥結卻可以溯源到更早的時期。1943年，化學學家薛定諤就在蘇黎世三一大學的一系列講演中闡述了量子熱學才能怎樣在生物過程中發揮作用。這被許多人視作是最早踏足量子生物學領域的嘗試之一。但據近日發表在《皇家學會學報A》上的一篇論文所述，這個領域實際上可以溯源量子熱學的發展早期，也就是20世紀20年代。
論文的作者之一是一名微生物學家，也是德國昂熱學院量子生物學中心的校長。他說：“人們都誤以為量子生物學是一門十分新的學科，實際上它在二戰之前就早已開始了。那時侯，一些量子化學學家企圖理解生命本身的特殊之處，以及量子熱學是否能為這一問題提供新的思路。”論文的另一名作者是在布萊頓學院的同學JimAl-。
○論文：《量子生物學的起源》。
事實上，量子生物學在過去始終缺少可效度，直至近些年出現一些有趣的研究，才表明這個看法是值得探究的。諸如，越來越多的證據表明光合作用須要依賴量子效應來幫助動物將陽光轉化為燃料；候鳥可能擁有一種內部的“量子羅盤”，能幫助它們感知月球磁場繼而為它們導航；量子效應也可能在人類的味覺中發揮作用，幫助我們分辨不同的味道。（詳見：《量子生物學：企圖闡明自然界的奧秘》）
更具爭議的是，在1989年，物理化學學家彭羅斯提出了一種名為“微管”的神秘蛋白質，他覺得這些蛋白質其實可以對量子效應加以借助，并把握著人類意識的秘密。極少有研究人員相信這是真的，并且加洲學院圣巴巴拉學校的數學學家近來提出，磷原子的核載流子其實能在腦部中充當簡單的“量子比特”。換句話說，意識可以像量子計算機一樣運作。
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：量子生物學時代的到來》。一篇沒有被最終收錄于書中的章節是關于這一領域的歷史起源，但這一章節的內容成為了這篇最新論文的基礎。
到了1927年，基于玻爾、海森堡、泡利、薛定諤、狄拉克、玻恩、約當、費米等人的努力，量子熱學的物理框架也被構建了上去。因為量子熱學在解釋原子世界取得了巨大的成功，量子化學學家因此倍感激動不已。她們走出化學實驗室，離開黑板，找尋新的有待被征服的科學領域。當時，微生物學以及新興的遺傳學和染色體遺傳理論依然是未被探求的領域，越來越多的生物化學學家和生物物理家開始被吸引到那些領域。
1932年，劍橋甚至有一個理論生物學俱樂部，俱樂部里的成員包括化學學家、哲學家（如卡爾·波普爾）和生物學家。Al-說：“他們都覺得生命中有一些很非常的東西，認為數學學和物理中仍未發覺的原理可能有助于找到物理和生物學之間的過渡。”當然，對她們中的許多人來說，這更多的是一種愛好，她們并沒能取得多大進展。但這種初期的討論無疑對薛定諤形成了巨大的影響。
運用數學學和物理原理來解釋生命系統這個觀點并沒有完全勸說玻爾，但在1929年的北歐自然科學家大會上，他在一次講演中簡略地提及了這些可能性。其中深受啟發的就有日本化學學家約當，他也是一篇奠定了量子熱學的物理基礎的論文的作者之一。在20世紀30年代末，他開始使用“量子生物學（）”一詞，并在薛定諤發表《什么是生命》的前一年發表了《物理學和有機生命的秘密》一書。在書中，他闡述了原子和量子化學學是否對生命至關重要。
不幸的是，約當是納粹黨的忠實成員（雖然他為愛因斯坦這樣的猶太科學家辯護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理論與納粹哲學聯系上去——甚至宣稱一個極權的領導人（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，因而喪失了其他科學家的信任。
Al-說：“如果換做是其他化學學家，或許人們對量子生物學會愈發重視，并繼續地思索其中的問題。但約當的背景促使這被視作是一個令人討厭的研究領域。”
為此，讓量子生物學的火焰繼續燃燒的重擔落到了薛定諤頭上。Al-說：“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信息的。他想曉得是哪些讓生命處于這些高度有序的狀態。”在《什么是生命》一書中，薛定諤覺得，與無生命物質不同的是，生命物質可以遭到單個量子風波的影響。個別材料當被冷卻到接近絕對零度的氣溫時向物理學家一樣思考，才會表現出一些量子效應，比如內阻會消失的超導效應。按照薛定諤的說法，生物在溫度下也會表現出這種類型的效應，其實正是由于它有很高的有序度。
一個具體的反例是他思索了果蠅是怎樣通過“不斷地從環境中汲取有秩序的東西”，因而從無序中生出秩序、讓熵降低（這也許違背了熱力學第二定理）的。按照化學學理論，在一個封閉的系統中——熵總是降低的向物理學家一樣思考，并且生物不是孤立的系統。果蠅似乎能從無序中提取出有序，但它所處環境的熵也會相應降低。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“量子躍遷”發生的。（所謂非周期性晶體是指一種原子非隨機排列的結構，它為細胞編碼一套穩健的“密碼”，但缺少晶體結構的規律性。）
《什么是生命》在當時引發了巨大的反響。克里克和沃森稱這本書迸發了她們關于DNA雙螺旋結構的思索，以及羅莎琳德·富蘭克林的X射線衍射實驗。但在那以后，量子生物學的熱度就漸漸消退了。在此后的幾六年里，化學學家普遍覺得生命系統太過喧鬧，因而太過分脆弱的量子效應難以在像活細胞這樣復雜的環境中持續存在。
其中的問題就在于量子退相干。糾纏是量子效應的關鍵：它以一種特殊的方法將兩個或兩個以上的物體聯接在一起，使它們即使相隔很遠，也能互相影響。愛因斯坦曾給它取了一個響亮的名號：“鬼魅般的超距作用”。但是哪怕是最輕微的互相作用（例如與單個光子發生碰撞）就會破壞這種糾纏。（相干性是量子態在不同時間、不同地點與自身或與其他態發生的協同運動。與相干對立的是退相干：當孤立的量子系統被打開，并活躍地與它們的原子環境發生互相作用時，它們會迅速地退相干，喪失它們量子熱學上的協同特點，也就是它們的相干性，并開始表現出精典的宏觀行為。退相干是制約建造量子計算機的重大障礙。）
Al-說：“通常我們覺得，環境越復雜，就越快退相干，如同低溫物感受在高溫環境中冷卻一樣。倘若不是這樣的話，我們早就造出量子計算機了。這么，怎么能夠使這種微妙的量子效應維持足夠長的時間，因而讓它們發揮作用呢?”
目前的看法是，在退相干出現之前，可能存在一些量子過程可以在其中發揮作用的生命系統。這是由于這樣的系統依賴于微小尺度上（只有幾個納米）的少數分子的運動，使它們維持足夠的孤立。事實上，量子信息論的近日研究表明，噪音實際上可能可以支持個別系統中的量子相干。
其實在數十億年的進化過程中，大自然早已學會了怎么維持量子相干因而借助這種效應，只是我們還不曉得怎么做到這一點。
