酶催化反应的神速是因为搭乘了“量子隧穿”的快车吗？光合作用中的能量转移效率与“量子相干性”相干吗？动物感知磁场是纠缠的电子感知到了磁场朝向的变化？当我们闻到气味时，不仅是“闻到”了气味分子的形状，而且还“嗅到”了它们化学键的振动频率？科学家在诸多生命过程中都找到了量子效应的证据 。 温暖嘈杂的生命没有完全淹没微观世界的量子力学现象——愈反直觉，愈迷人 。
撰文 | Catherine Offord
译者 | 韩若冰
在谢菲尔德大学的一个物理实验室中，几百个光合细菌被置于两面相距不到1微米的镜子之间 。 物理学家David Coles和他的同事正在用白光照射这一充满微生物的空隙，他们可以通过改变镜子的间距来调节光在细胞周围弹射的方式 。 根据2017年发表的结果，这种复杂的设置可以使光子与少数细胞中的光合作用结构发生物理相互作用，这一作用通过微调实验装置就可以改变 。
研究人员可以如此控制细胞与光的相互作用，这本身就是一项成就 。 然而，对这一发现更加惊人的阐释出现在第二年 。 Coles和几位合作者在重新分析数据时发现，细菌和光子之间相互作用的性质比原始分析中提出的更为古怪 。 两篇论文的共同作者、牛津大学物理学家Vlatko Vedral说：“一个似乎无可避免的结论是，（我们）间接真正目睹的是量子纠缠 。 ”
量子纠缠是指两个或多个粒子互相依存的状态，无论它们之间的距离有多远 。 这是亚原子图景中诸多反直觉的特性之一 。 在这幅图景中，电子和光子这样的粒子同时表现为粒子和波，同时占据多重位置和状态，并能越过看似不可穿透的势垒 。 量子力学复杂的数学语言描述了这种尺度上的过程，这样的过程也常常产生看似违反常识的效应 。 正是使用这种语言，Vedral和同事们在谢菲尔德实验的数据中检测到了光子和细菌之间纠缠的特征 。
研究人员已经多次在无生命物体中证明了纠缠的存在：2017年有科学家报告称，他们设法保持了相隔1200公里的光子对之间的相互依存性 。 但如果Vedral和同事们的假设是正确的，也就是说，如果量子纠缠现象也存在于细菌中的话，那么这项研究可能标志着人们第一次在生物体内观察到纠缠，并且表明量子效应在生物学中并非像过去认为的那样罕见，从而为原本就已存在的证据添砖加瓦 。
在生命系统的混乱世界中可能观察到量子现象，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，数十亿粒子在环境温度下的集体运动会淹没任何古怪的量子效应，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 。 的确，量子现象的研究者通常会仅仅为了消除环境噪声，而在接近绝对零度的温度下隔离粒子——这一温度下几乎所有的粒子运动都停止了 。
萨里大学理论物理学家Jim Al-Khalili说：“环境越温暖，背景噪音就越嘈杂，这些量子效应也就会越快消失 。 ” Al-Khalili是2014年一本名叫《神秘的量子生命》（Life on the Edge）的书的共同作者，这本书将量子生物学呈现给了普通读者 。 “所以说量子效应竟然在细胞内部持续存在，这简直是荒谬、反直觉的 。 然而，如果它们确实存在——有很多证据显示在特定现象中量子效应是存在的——那么生命一定在以一种特别的方式在运作 。 ”
支持Al-Khalili和Vedral的科学家群体正在不断壮大 。 他们主张量子世界的效应可能会是阐释一些生物学中最大的谜团的核心所在，甚至可能受制于自然选择，这些谜团涉及到酶催化效率、鸟类导航，乃至人的意识 。
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