鸟类靠地磁场导航，竟然用到了量子力学？

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鸟类靠地磁场导航，竟然用到了量子力学？是怎么回事，是真的吗？2021年01月22日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                鸟类靠地磁场导航，竟然用到了量子力学？
                               
                                近二十年，越来越多出现在生物学中的量子效应，让量子生物学成为了一个严肃的科研方向。
                               
                               


在施加磁场时，海拉细胞的荧光会变弱 图片来源：池谷一博（Noboru Ikeya）和乔纳森·伍德沃德（Jonathan R. Woodward）

任何学科都有它自己的适用范围，但它和人们固有印象中的范围并不一定一致，并且学科的适用范围可能随着时代的发展而产生改变。所以，听到量子生物学时，其不可思议程度，甚至会让有些人怀疑这是民科编出来的学科。但它的确是当前生物学的一个研究方向，甚至现在发现了越来越多生物体内存在量子效应的证据。

撰文｜王昱
审校｜吴非

早在1944年，薛定谔（就是“虐猫”那个）在他的著作《生命是什么》（What is Life?）就曾设想过将量子力学机制应用到生物学上，用于研究遗传系统。但半个世纪以来，相关领域始终没有什么显著进展。直到近二十年，越来越多出现在生物学中的量子效应，让量子生物学成为了一个严肃的科研方向。

科学家已经找到了一些生物学中的量子效应，比如某些酶催化反应中涉及量子隧穿。除了这种生物学基本反应，量子力学同样可能出现在更直观的例子中，比如光合作用中涉及到的波粒二象性，以及鸟类迁徙时的导航，可能依靠基于自由基对中纠缠电子自旋状态的化学反应。

虽然我们无法感知量子效应，但人类细胞也可以对磁场做出响应。近日，东京大学的科学家发现：由于量子效应，海拉细胞内的荧光能对磁场作出反应，这项发现为“鸟类导航时用量子效应识别磁场”的假说提供了新的直接证据。由此，我们不得不考虑量子生物学的更广泛应用。


从生物导航到量子力学

包括鸟类、海龟、鱼类在内的多种动物都会进行迁徙。对这些动物而言，地磁场是长距离迁徙过程中的可靠参照物。不过地磁场的变化非常微弱，在南北方向平均只有每千米3纳特斯拉（nT）、0.009o的变化，东西方向更是要少得多。同时，地磁场很容易受到各种因素造成的30~100 nT的干扰


图片来源：Mouritsen, H. Nature 558, 50–59 (2018)

很难想象鸟类这种快速移动的生物，是如何用这样的地磁场实现10~30千米精度的导航的。至少它们需要对磁场有十分准确的感应。2018年，《自然》杂志刊登了一篇关于迁徙动物长距离导航和磁感的综述，其中总结了三种可能的磁感产生方式，分别为电磁感应、基于磁性粒子的磁感受和基于自由基对（radical pair）的磁感受。其中，基于自由基对的磁感受与量子力学紧密相关。

隐花色素（cryptochrome）是一种在鸟类视网膜中发现的蛋白质，在上世纪90年代时就吸引过科学家的注意。在光热等外界条件下，隐花色素共价键发生均裂，形成的具有不成对电子的原子或基团，就是自由基。根据泡利不相容原理，形成共价键的两个电子自旋必须相反。当自由基成对产生时，它们的自旋状态被认为保持纠缠状态，互相关联。而磁场的出现会让原本处于简并的能级分裂，产生三重态（triplet），改变能级，从而影响一些化学反应。根据上述假说，这些化学反应产生的影响传入鸟类大脑后，经过处理，鸟类就能对磁场做出反应，从而进行导航。


图片来源：pixabay


改变的荧光

但这只是一种理论，需要更多的实验验证。

例如，在2004年发表的一项研究中，研究小组将知更鸟暴露于以模型预测的频率和角度振荡的磁场中，这破坏了自由基对对地磁场的敏感性，进而破坏了鸟类的导航能力。

2018年，对隐花色素Cry4的分子特性和表达模式的两项研究表明，该蛋白可能是斑马雀科和欧洲知更鸟的磁感受器候选体。

而在一项发表于《美国科学院院刊》的近期研究中，东京大学的科学家首次直接观察到这个假设中的反应——并且不是在鸟类细胞中，而是人类细胞中。关键的隐花色素并不仅仅存在于鸟类视网膜中，它在多种生物的多类细胞中都有发现，被认为和昼夜节律的调节有关。虽然人类无法感受磁场，但人类细胞中同样含有隐花色素，并且人类细胞中的自体荧光也会受到磁场影响。

论文作者乔纳森·伍德沃德（Jonathan Woodward）说：“我们没有向这些细胞中添加或移除任何东西。我们认为这是一个有非常有力的证据，表明我们已经观测到了影响细胞水平化学活性的纯量子力学过程。”

科学家将海拉细胞（HeLa cells）放置于蓝光环境中，细胞会发出微弱的荧光。这是由于隐花色素吸收了光子之后进入高能态，内部发生电子转移产生自由基对。自由基对在重新组合时，放出光子，就形成了荧光。

而整个过程中，由于自由基对内部的电子保持纠缠状态，因此可以将其看作一个受磁场影响的整体。能级会受磁场影响而发生分裂，从单态变为三重态，自由基对产生的速率也就因此下降。在实验中的表现，就是细胞的荧光变暗。

实验向海拉细胞施加变化的磁场，实验发现在±25 mT的磁场的影响下，细胞荧光相比没有磁场时平均会减弱1%～2.5%。或许在人类大多数体细胞中，这些荧光难以被察觉，但是如果处于视觉敏锐的鸟类的视网膜中，就有可能让它对磁场的变化作出反应。


磁场增强时，荧光会减弱 图片来源：池谷一博（Noboru Ikeya）和乔纳森·伍德沃德（Jonathan R. Woodward）

伍德沃德说：“这项研究的有趣之处在于，两个电子的自旋之间的关系可能会对生物学产生巨大的影响。”

鬼魅的量子与生物的行为之间都能产生联系，足以让我们怀疑生物学还有哪些方面，是由基础物理深处的怪异现象引起的。纵使有些违背直觉，但多学科深度融合继续发展的脚步不会停止。

参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0176-1
https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_chemistry
https://www.sciencealert.com/birds-have-a-quantum-sense-and-for-the-first-time-scientists-see-it-in-action
https://www.the-scientist.com/features/quantum-biology-may-help-solve-some-of-lifes-greatest-mysteries-65873
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2018.0674
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology