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生物的量子进化

时间: 2018年11月12日 | 作者: Jonathan O'Callaghan | 来源: 平台网址注册鹿鼎(huanqiukexue.com)
提到量子力学实验,人们第一想到的当属“薛定谔的猫”了。近日,研究人员在实验室疑似创造出“薛定谔的细菌”——光合绿色硫细菌,光合分子与空腔中的光子发生强耦合作用,形

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量子世界有着种种奇异的特性。理论上来说,量子力学原理要求一个粒子可以同时在两个地方出现。这种看似矛盾的现象叫做叠加。两个粒子可以“纠缠”在一起,通过某种未知的机制跨过任意远的距离共享信息。

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艺术家笔下的双原子量子纠缠态。图片来源:Mark Garlick

经典量子力学

或许量子力学中最著名的实验就是埃德温·薛定谔(Erwin Schrdinger)在1935年提出的思想实验——薛定谔的猫。这一实验展现了量子力学的奇异性质。这位奥地利物理学家想象了一只装在盒子中的猫,盒子中有一些可能致死的放射性物质。根据量子力学原理,猫会处于活与死的叠加态,至少在我们将盒子打开进行观测之前是这样的。

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将一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。当盒子内的监控器侦测到衰变粒子时,就会打破烧瓶,杀死这只猫。根据量子力学的哥本哈根诠释,在实验进行一段时间后,猫会处于又活又死的叠加态。可是,假若实验者观察盒子内部,他会观察到一只活猫或一只死猫,而不是同时处于活状态与死状态的猫。这事实引起一个谜题:到底量子叠加是在什么时候终止,并且坍缩成两种可能状态中的一种状态?图片、文字来源:维基百科

尽管这看起来十分疯狂,但是这一概念已经在量子尺度下被实验验证无数次了。然而,在我们所熟知的宏观世界中,一切都变得更简单,更符合我们的直觉。没有人曾经看到一颗恒星、一颗行星或者一只猫处于叠加态或者存在量子纠缠。但自从20世纪早期量子力学形成开始,注册鹿鼎家就一直在思考宏观世界和微观世界会在何处交汇。也就是量子系统究竟能够有多大,有没有可能大到让种种奇异的性质直接影响生物?在过去的二十年中,量子生物学开始形成,并试图回答这些问题,这一学科提出和实施一些在生物体身上做的实验,以此来探测量子理论的极限。

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根据多世界理论,每一个事件都是分支点。不论盒子是封闭的还是敞开的,猫是活的,也是死的,但是,活猫与死猫是处于宇宙的不同分支,这些分支都同样的真实,但是彼此之间不能相互作用。图片、文字来源:维基百科

这些实验的结果看起来十分诱人,但是却没有给出确定的答案。比如在今年早些时候,研究人员发现生物通过光合成养料的光合作用与某些量子效应有关。鸟类导航和人类产生嗅觉的过程也显示量子效应以一种不寻常的方式影响着生物体。但是这些只是量子世界的冰山一角。目前还没有人能将生物置于叠加态或纠缠态,就连单细胞的细菌也不行。

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薛定谔的细菌:微生物能否处于量子叠加状态?图片来源:Thomas Deerinck, NCMIR/Science Photo Library

细菌与光子的纠缠

最近英国牛津代理开户的一篇论文宣称细菌和光子之间的纠缠得到了实现,这引起了大家的关注。这项研究由量子物理学家Chiara Marletto领导。他分析了2016年英国谢菲尔德代理开户David Coles和同事完成的实验,发表在2018年10月《物理通讯》(Journal of Physics Communications)上。在实验中,Coles和同事把几百个光合绿色硫细菌放在两面镜子中间,不断地缩短两面镜子之间的距离,直到两面镜子只有几百纳米远,这个距离比头发丝直径还小。通过在镜中不断地反射白光,研究人员希望使细菌中的光合分子和空腔产生相互作用或形成耦合,也就是说,细菌会持续将这些不断反弹的光子吸收,释放,再吸收。这项实验成功了:有六个细菌以这种方式成功地和空腔形成了耦合。

但是Marletto和她的同事称细菌不仅仅是和光子形成了耦合。他们分析认为实验中产生的能量信号可能表明细菌的光合系统和空腔中的光子形成了纠缠态。简单来说,有的光子似乎同时与细菌中的光合分子撞上和擦肩而过,而这正是纠缠的标志。她说:“我们的模型表明记录到的这种现象是光和细菌中的某些自由度产生纠缠的信号。”

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厌氧嗜热绿色硫细菌(Chlorobaculum tepidum)与光子发生强耦合的实验示意图。实验中,检测细胞膜完整性的染料台盼蓝被细菌排斥,细菌未被染色,证明其仍然存活。图片来源:文献

这项研究的合著者、同样来自牛津的Tristan Farrow表示,这是第一次在生物中发现这种现象。他说:“这肯定是我们朝着‘薛定谔的细菌’进展的一步,如果你愿意那么说的话。”且这指向了另一个有可能自然发生的量子生物现象的例子:绿色硫细菌居住在深海中,光的稀缺可能会使生物进化出基于量子力学的适应性状来促进光合作用。

量子生物学的崛起

然而,这样的言论仍有许多争议。第一,实验中出现纠缠的证据是依据情况而定的。依赖于如何解释腔内细菌中流入和流出的光子。Marletto和同事承认不考虑量子效应的经典模型也可以解释实验的结果。当然,光子并不是经典的,而是量子的。还有一个更加接近现实的“半经典”模型用牛顿力学来解释细菌,用量子力学解释光子,但这个半经典模型和Coles等人实际得到的实验结果并不相符。这或许意味着量子效应对光和细菌都有作用。对此,James Wootton说:“这有点绕,但是我想他们只是在尽力避免干扰因素并夸大其辞。” James Wootton是IBM苏黎世研究院的量子计算研究人员,他没有参与这两项研究。

第二,细菌和光子的能量是在一起测量的,而并没有对细菌或者光子的能量进行单独测量。荷兰代尔夫特理工代理开户的Simon Grblacher认为这从某种程度上来说是一种限制,Simon Grblacher也没有参与这项研究。他说:“似乎确实有量子事件发生,但是通常我们都需要对两个系统分别测量来证明纠缠的存在。”这样才能确定他们之间的量子关联是存在的。

尽管有这些不确定性因素的存在,量子生物学从理论设想到实际存在的转变只是时间问题。生物系统之外的单个或多个粒子在实验中展现出量子效应已经有数十年了,所以在细菌甚至人类体内的分子中寻找相似的效应是十分合理的。但是,这些分子的量子效应在人类和其他的大型多细胞生物中会因为互相抵消变得很小。但是在细菌这样小得多的生物中,量子效应则会有较大的作用。Grblacher说:“这个发现十分惊人,搞得我都有点受不了,但在真实生物系统中展现量子效应真的很令人激动。”

包括Grblacher和Farrow的研究组在内几个研究团队都希望根据这个想法进一步发展。Grblacher设计了一种实验,可以将一种叫水熊虫的水生生物置于叠加态。这个实验就要比将光和细菌叠加起来难多了,因为水熊虫的尺寸比细菌大几百倍。Farrow正在想办法改进细菌的实验。今后几年他们打算将两个细菌同时置于纠缠态,而不是单个细菌。Farrow说:“长期的目标是开拓性的,十分基础的。这关乎我们对于现实性质的理解,关乎量子力学效应在生物功能中是否存在应用。归根结底,一切都是量子的。”但是量子力学原理在生物中是否起到作用还是一个大问题。

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水熊虫属于缓步动物门(Tardigrata)。其可在高温(151 °C)、接近绝对零度(-272.8 °C)、高辐射、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等。多数体长在0.3至0.5毫米间。缓步动物也是第一种已知可以在太空中生存的动物。

Marletto还提到,自然选择有可能已经让生命想出办法利用量子现象生存,就像之前提到的深海中的光合细菌。但是对这个问题的研究需要我们从小处开始。研究正逐渐向宏观系统进行探索,最近的一项研究已经成功使几百万个原子处于纠缠态。接下来关键的一步就在于证明组成生物的分子可以有量子效应,即使是出于一些微不足道的目的。通过探索量子和经典的边界,注册鹿鼎家可以进一步了解宏观层面的量子力学,如果它真的存在的话。

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/schroedingers-bacterium-could-be-a-quantum-biology-milestone/