我們被量子控制了
我們鼻子里只有400個受體，卻可以分辨10萬種氣味；植物光合作用在某個階段能量轉化率，遠超過科學家在實驗室里的成績。這些令人匪夷所思的現象背後，是微觀世界的量子在翻雲覆雨。
氣味謎題
我們被各種各樣的氣味包圍著，花兒散發出清香，垃圾桶散發出惡臭。雖然我們的鼻子不如狗的鼻子靈敏，但也可以區分許多種氣味。就拿花香來說，茉莉花的香氣和玫瑰花的香氣是不同的，一些嗅覺靈敏的人甚至會說，不同茉莉花的香氣也不一樣，甚至早晨和晚上聞同一朵花的香氣，也會有所不同。
從科學上講，我們的鼻子可以識別出周圍環境中大約10萬種氣味，這樣靈敏的鼻子讓我們能夠挑選出最美味的食物，也會迴避開始變味的食物。然而，如果我們對鼻子的內部結構研究後就會發現，鼻子里負責聞氣味的氣味受體只有400種左右。用這區區400種受體，就可以識別出環境中的10萬種氣味，是不是覺得有些太神奇了？
鼻子是如何做到可以區分那麼多氣味的呢？
長期以來，人們從化學的角度來解釋嗅覺。一種化學物質的氣味取決於這個分子的形狀，鼻子里的氣味受體就像是鎖，不同形狀的化學物質就像是鑰匙，當形狀合適的鑰匙正確地插入了特定的氣味受體的鎖眼時，氣味受體就被打開了，激發神經信號，傳遞給我們的大腦，大腦處理這些信號，在腦海中形成了對於這種氣味的獨特感覺。
但是，一些化學物質的氣味很相似，可是看它們的化學結構，卻差別很大；還有一些化學物質的結構很相似，氣味卻差別很大。比如，香蘭素和異香草醛這兩種有機化合物都是由相同的小分子組成的結構，兩者結構差別很細微，可是它們的氣味卻差別非常大。用「鎖-鑰匙」嗅覺假說沒有辦法解釋這些現象。
為了自圓其說，科學家認為，這些嗅覺受體之間並不是各自獨立的，而是緊密聯繫在一起的，一種化學分子進入鼻子後，可能不止打開了一把氣體受體的鎖，而是打開了幾種氣體受體，這些受體產生了各自的神經刺激，這些刺激混合在一起，讓大腦形成了對該氣體的獨特感覺。就好像用一種調料做的菜是一種味道，而用幾種調料相互組合，就可以做出來滋味繁多的各種菜肴。
如果氣味真的是「一把鑰匙開了幾把鎖」，那麼當一種氣體化學物質進入鼻子後，幾個氣體受體必須都能與這種化學物質的結構相匹配，而且它們必須同時接觸到化學物質，幾乎同時做出反應，產生神經刺激。這可能嗎？
400個受體似乎無法完成這麼繁重的任務，尤其是要識別多達10萬種氣味。鼻子里的氣體受體到底有什麼獨門絕技？
光合作用的怪現象
讓我們先把嗅覺的問題放一放，來看看自然界中非常重要的過程——光合作用。
俗話說，萬物生長靠太陽，植物和某些細菌通過吸收陽光中的太陽能獲取能量，滿足生命生長的需要，動物依靠吃植物，獲得植物儲存的能量。植物吸收太陽光的過程，最關鍵的步驟是光合作用，光合作用是植物、藻類利用葉綠素，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉化為有機物，並釋放出氧氣的生化過程；某些細菌也可以利用其細胞本身，在可見光的照射下，把硫化氫和水轉化為有機物，並釋放出氫氣。
總的來看，植物光合作用的能量轉化效率並不算高，比如對於農作物來說，能夠把接收到的太陽能的5%轉化為自身的能量，已經很不錯了。藻類的能量轉化效率要稍高一些，但也十分有限。人類製造的太陽能電池板能夠把大約10%的太陽能轉化為電能，而在實驗室中，科學家目前達到的太陽能電池的能量轉化率的最高紀錄是40%左右，這個成績看著還馬馬虎虎，可是要在工業上推廣實驗室里技術，還得解決很多難題，目前實際生產中的太陽能電池的能量轉化率，離實驗室的最高紀錄相差甚遠。
如果我們把光合作用分解成幾步來看，就會發現一個令科學家汗顏的現象：在光合作用的一個初級階段，也就是植物的聚光色素分子把照射進來的光子轉化為電子能量的過程，在陽光微弱的時候，色素分子竟然可以把90%的光子轉化為電子的能量！而在陽光強烈的時候，為了避免過熱灼傷，色素分子只會把50%左右的光子轉化為電子的能量，留在自己體內。
光合作用在此階段的能量轉化率，輕而易舉地超越了實驗室中的科學家取得的成績。如果不是植物主動地為減少灼傷而放棄一些太陽能，它們在光合作用的初級階段幾乎可以把所有的太陽能轉化為電子的能量。它們怎麼有這麼大的本事？
微觀世界裡的魔法
動物的嗅覺和植物的光合作用，看上去風馬牛不相及，但當科學家用其他任何理論都無法解釋嗅覺之謎和光合作用的能量轉化之謎時，一些科學家開始嘗試著從更微觀的角度看待這些生物界的怪現象，他們猜測，微觀世界裡有一種魔法，可以讓動物、植物獲得神奇的魔力，完成令人匪夷所思的任務。
賦予生物魔法的東西，就是在物理學界大名鼎鼎的量子。1900年，德國物理學家普朗克提出，就像原子是化學物質的基本構成單位一樣，量子是能量的最小單元，原子吸收或發射能量是一份一份地進行的。後來，大科學家愛因斯坦把量子的概念引入到光的傳播過程的研究中，提出了光量子（即光子）的概念，光的能量傳播是由一個個具有能量的光子實現的。
那麼，微觀世界的量子和嗅覺有什麼關係呢？這事兒得從大約70年前說起。當時英國化學家馬爾科姆·戴森為了解釋氣體受體很少卻可以區分大量氣味的嗅覺現象，提出特定化學分子的振動頻率應該是不同的，對鼻子里的氣體受體來說，它們感受到的不只是化學分子的形狀，更重要的是感受到了振動頻率。由於振動頻率千差萬別，因此受體產生的神經刺激信號也千差萬別，傳遞到了大腦中，就形成了大量的氣味感覺。這就好比人的眼睛能夠感受到外界不同振動頻率的光，視網膜產生的神經信號傳給大腦，形成各種顏色的感覺一樣。
由於戴森無法解釋化學分子的振動頻率信號如何能傳遞給鼻子里的受體，這個假說一直不被人認可。直到1996年，英國的一位生物物理學家盧卡·圖林靈光一現，想到有一種方式可以把分子的振動頻率信號傳遞給受體，那就是——量子隧道效應。
量子隧道效應是微觀世界的一種古怪現象。微觀世界裡有一些限制粒子活動的「能量壁壘」，當一個微觀粒子遇到能量壁壘的阻擋時，按照我們的常理推斷，如果這個粒子的能量比能量壁壘要小，粒子就不可能衝過這個壁壘。這就好像我們從U形坡的一端鬆開一隻圓球，在重力勢能的作用下，不考慮坡面的阻力，這個圓球最多也就能衝到對面坡的相同高度，即具有相同勢能的位置，不可能再高了。
但是在量子的世界裡，粒子的能量並沒有一個明確的值，而是有一個能量值範圍，也就 是說，如果那個圓球是微觀世界的粒子，它會有一定的概率具有很大的能量，因此也就有一定的概率衝到比起點更高的位置!
聽上去量子隧道效應違背我們日常的直覺，但在微觀世界裡，這是基本的事實。比如原子中的電子被能量壁壘束縛在原子里，但電子有一定的概率突然具有很大的能量，於是突破了原子核對其的束縛，跑到了原子的控制之外。圖林認為，當氣體分子和嗅覺受體遭遇時，當條件比較合適時，從氣體分子里會有電子衝破能量壁壘，進入到受體中，刺激受體產生神經刺激，傳遞給大腦形成對氣體的感覺。
說的簡單一點就是，我們的嗅覺其實是受量子操控的！
這個解釋讓生物學界非常震驚，在沒有充足證據的情況下，人們是不會接受這個解釋的。圖林很快就等來了支持自己理論的證據。一些科學家做了一個有趣的實驗，他們找來兩種類型的苯乙酮，也就是製造香水的重要原料，兩種苯乙酮中的一種含有普通的氫原子，而另一種則用氫的同位素——氘來取代氫。兩種苯乙酮的分子形狀顯然是相同的，但振動頻率有些許的差別。當科學家讓果蠅來聞兩種氣體時，果蠅更喜歡聞其中的一種氣體，而不喜歡另一種氣體。這說明，果蠅能夠區分兩種結構相同的分子的不同振動頻率，它們的嗅覺是受傳遞振動頻率信息的量子操控的，和氣體分子的形狀沒什麼關係。
生物界的舵手
一門新的學科就此誕生了，這就是量子生物學，從量子的角度分析生物學問題。嗅覺不是唯一用量子生物學解釋的生物現象，圖林認為，量子可能在操縱著整個生物界這條大船向前行駛。
就拿光合作用來說，從量子的角度分析，當陽光照射到植物身上時，光子實際上是所謂的疊加態的——它們既可能出現在這裡，也可能出現在那裡。所以光子可以飛快地在參與光合作用的光聚分子和反應中心轉移，一個光子可以在兩個位置之間選擇所有的可能路徑進行轉移，最終過程完成時我們會發現，光子選擇了能量損耗最少的路徑，這就是為什麼光合作用的初級階段能量轉化率能達到90%的原因。
這個過程就好比你開著車去上班，可能有幾條道路能夠讓你到達目的地，可是你不會把所有的道路都嘗試一遍，然後再選擇一條最暢通的道路開車。在日常生活中，你只能選擇一條道路碰運氣。可是在量子世界裡，如果你是一個光子，有幾條道路可以抵達目的地的情況下，你可以同時走在所有的道路上！在你抵達目的地之前，我們無法說出你到底身處何處，不過當你到達目的地時，我們會發現，你走了一條堵車最少（能量損耗最少）的道路。
再比如我們人體在運動的時候，是依靠三磷酸腺苷這種物質的燃燒提供能量的，這種化學物質是由細胞內的線粒體製造出來的。科學家很早就發現，線粒體製造三磷酸腺苷的速度驚人地快，卻看不出線粒體內有什麼神奇的結構能完成快速製造的任務。現在，站在量子的角度上，一些科學家提出，製造三磷酸腺苷的過程中，也有量子的身影。在量子的世界裡，電子可能會同時出現在兩個位置，因此在反應鏈上，電子的穿梭十分迅速，這讓線粒體的製造效率大大提高了。雖然科學家還沒有實驗來證實這一點，但他們在觀察一些植物和細菌的能量產生過程時，發現確實有量子在起作用。
我們都被量子操縱
量子理論的早期奠基人之一、奧地利物理學家薛定諤曾經寫過一本《生命是什麼》的著作，在書中他探討了量子理論和宏觀世界的衝突。
生物是一個大的「化學工廠」，體內發生著各種各樣的化學反應，而化學反應往往是通過原子中的電子來實現的，在中學我們經常會背誦「失電子，被氧化；得電子，被還原」之類的口訣，說的就是這種情況。電子是微觀世界的粒子，因此它們具有各種量子效應。從這個角度說，萬物的本質是量子的，因為電子的各種行為是量子化的。
然而，宏觀的生命活動很難分解成一步步量子的微觀「動作」，因為量子的狀態很容易被周圍環境所破壞。當我們試圖去觀察一個處於疊加狀態的光子時，它的疊加態就坍塌了，只表現出一種狀態。到目前為止，科學家只能在接近絕對零度的低溫條件下，在非常短暫的時間裡操縱量子。稍縱即逝的量子行為恐怕難以讓生命完成一個簡單的動作，比如讓貓搖一下尾巴。
而且，量子可以同時出現在不同位置，這種模糊的行為是不可能出現在宏觀世界裡的。我們不能說貓的尾巴同時出現在身體的左邊、右邊和中間，如果出現這種情況，也是觀察者的眼睛花了，貓尾巴還是只有一個位置。
因此薛定諤猜測，生物體自有一番妙招，來阻撓量子的不確定性行為展現出來，從而讓自己的行為更加有確定性，更加持久。量子只在微觀世界起作用，對宏觀的生物體是不起作用的。
正在興起的量子生物學的觀點和薛定諤不同，量子在宏觀的生物體內也在起作用，從光合作用、三磷酸腺苷到嗅覺，量子都在發揮著神奇的作用。這不禁讓人發問：量子這個幽靈是如何從量子世界走出來，在宏觀世界也發揮作用的？
除了人類之外，其他生物都沒有懂量子理論的專家，因此它們必然是在自然界中逐漸進化出了神奇的本領，能夠藉助量子來增加自己的生存能力。地球生命從誕生到今天，已經演化了近40億年的時間，生命有充足的時間去嘗試各種生存方式，它們找到利用量子來進行光合作用並不奇怪。
目前的疑問是，生命如何能讓量子的行為免受周圍環境的破壞，順利完成各項任務？在某種藻類的體內，科學家發現一些蛋白質會摺疊出一些形狀，能夠屏蔽周圍環境的干擾，讓內部由量子參與的生命活動不是稍縱即逝，而是持久進行。看起來，生命自有辦法應對量子世界。
量子對我們的身體影響有多大？目前人們剛開始認識到量子規律對生命活動的影響，冰山才剛剛露出了一角。說不定我們有時語無倫次，或者頭腦中萬般念頭一起湧出的時候，或者產生一些莫名其妙的感覺，就是量子在搗鬼呢！
小貼士：鳥眼看見了地球磁場
許多候鳥可以長距離飛行，並準確地抵達目的地，即使天空之中烏雲密布，鳥類仍然不會迷失方向。因此科學家很早就提出，鳥類能夠感知地球磁場，利用地球磁場導航。但對於鳥類如何利用地球磁場，人們只是知道鳥類體內有感應磁場的器官，具體的感知方式，就說不清楚了。
如今，科學家通過實驗發現，鳥類是通過視覺感受到地球磁場變化的，或者說，鳥類能夠看到地球磁場。鳥類具有這樣的本領，其實是和量子效應有關的。當外界的光線照射到鳥的視網膜上時，一個光子會讓視網膜的兩個電子產生所謂的量子糾纏現象——兩個電子的自旋狀態是有聯繫的，一個電子的狀態改變，會影響另一個電子的狀態也改變。兩個相互糾纏的電子能夠被外界磁場所改變。其中的一個電子受到地球磁場影響，而另一個電子激活了鳥體內的磁場感應器官。
於是，當外界地球磁場發生變化時，一個電子的自旋狀態發生改變，由於量子糾纏效應，另外一個電子的自旋狀態也跟隨著變化，啟動了磁場感應器官，於是鳥兒就感受到了地球磁場的變化，從而可以確定自己現在所處的位置。
本文源自大科技〈科學之謎〉雜誌 文章 歡迎您關注大科技公眾號：hdkj1997
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