量子力学不在你的身边，而在你的身上

本文系用户投稿，不代表机核网观点

⚠️ 未经作者授权禁止转载

读《神秘的量子生命》
虽然量子力学是微观粒子运动的基本规则，但是这种微观层面的物理规则对于人类这种宏观生物来说，由于难以直接感知到而显得很遥远和难以理解。但实际上量子力学距离我们的生活要远比我们认为的要近的多。
比如说嗅觉，我们是如何闻到并区分气味的。
如果对生物学有一定了解的人会说，是因为鼻子里嗅觉上皮组织的感受器接触到气味分子，产生神经信号传递到大脑产生嗅觉。更深入一点的会讲嗅觉受体基因、G蛋白偶联受体结合气味分子，钙离子通道、电信号等等一系列复杂、精密且神奇的机制。
但是有一个问题，我们是怎么分辨气味分子的？当嗅觉受体结合到不同的气味分子的时候，它是怎么知道要发出什么样的信号。
虽然科学界还是有很多争论，但其中一种理论就是量子振动理论，没错就是量子力学。
这要从量子隧穿说起，在微观层面，电子可以穿越传统途径无法穿越的壁垒到达另一侧。例如，电容两端如果间距足够小，电子就能从一端（供体）跨越到另一端（受体），这被称为弹性隧穿，此时电子能量没有损失。但这个的前提是受体的接受点有空缺且能量与供体的点位相同。如果受体接受点的能量比供体低，那必须要有个什么东西接收电子多出来的这部分能量才能实现隧穿，这称为非弹性隧穿。
这时，如果在供体和受体中出现一个分子，这个特定的能量恰好可以拨动这个分子的化学键发生振动从而消耗掉，电子就能从供体隧穿到受体上。
那回到鼻子，当嗅觉受体捕获了一个气味分子时，这个气味分子化学键的振动频率恰好合适，使得供体上的电子通过隧穿跳到另一边，然后刺激G蛋白，实现后续的一系列生理反应产生嗅觉。
因为不同气味分子化学键的振动频率不同，就可以通过这种方式产生不同的信号，让大脑感知到不同的气味。
科学家在研究中对这个理论做了验证，比如苯乙酮是一种常见的水果甜香味，科学家将里面的氢原子替换为更重的氘原子，使得化学键的振动频率从碳氢键的85～93太赫兹下降到碳氘键的66太赫兹。嗅觉敏锐的人能分辨出氘化苯乙酮的甜味更淡，而果蝇这种对水果香味敏感的生物会很轻易的分辨出两者，它们对氘化苯乙酮毫无兴趣选择转向苯乙酮。科学家对更复杂的麝香味分子的进行氘化后，普通人也可以轻易分辨出普通麝香和氘化麝香的气味区别。
虽然目前这个理论仍然处在进一步的完善和验证中，但很可能这就是关于嗅觉的原因。
除了嗅觉以外，量子规则还出现在生命活动的其他环节。
比如说我们知道酶的催化效率非常高，高效的原因是酶能够让反应物质变为一种比较稳定的过渡态，降低反应的活化能。而这背后又是电子和质子在量子隧穿效应下在不同分子之间转移。也就是说你身体的种种基础活动，都是量子力学。
再比如叶绿体对光能利用的高效，叶绿体捕获光子后可以100%转化为电子能量（这里只是对特定波长，转化为电子能量，而不是整个系统转化为糖或淀粉的效率），而太阳能电池理论上只有70%，其原因是叶绿体吸收光的蛋白质形成一种精确、有序的微观结构，让光子的能量能沿着最优路线传导，达到无损耗地吸收。于是在2007年，一篇论文讲了叶绿体的量子特性，并提出一个观点，植物是某种意义上的量子计算机。
一方面是因为这种能量无损传导的最优路线需要量子计算机这种计算能力和效率远超普通计算机来实现，另一方面是科学家在细菌、海藻等生物的叶绿体上发现了量子相干性的特征。
有意思的是，由于过去人们普遍认为细胞内部这种“炎热”“混乱”的无序环境不可能让粒子还保留有量子特性，认为生物是完全按照经典物理规则运行，所以当2007年植物是量子计算机的说法被提出来时，被量子领域科学家当做是某种玄幻的“量子笑话”，但当这些科学家对论文进行审评以及进一步实验后，他们也只能承认，这确实是合理的。
最后吐槽一句，看来大家对量子力学的兴趣要高于其他生命科学，这本书都快翻烂了。