蝴蝶遷徙背后的量子秘密

鄭渝川

量子理論刷新了現(xiàn)代自然科學(xué)諸多學(xué)科的進(jìn)展，也極大的擴(kuò)充了研究視野，也有助于人們用科學(xué)的方法去理解在過去被理解為神秘主義的現(xiàn)象、不可知的事物。

帝王蝶每年9～11月，會(huì)從加拿大東南部及美國中北部，朝著西南方向開始長(zhǎng)達(dá)3000多公里的飛行遷徙。這是一個(gè)壯觀的飛行旅程，帝王蝶途中會(huì)經(jīng)過沙漠、大草原、田野、山林以及一大片的淡水河谷，最后到達(dá)墨西哥中部山區(qū)，選擇幾座高山的山頂作為自己過冬的棲息地。來年的春天，帝王蝶又會(huì)開始北歸，沿著頭一年秋天的相反方向，回到北方。

帝王蝶的生命很短，事實(shí)上，沒有一只帝王蝶可以完整地經(jīng)歷南遷及北歸。帝王蝶會(huì)在遷徙中繁殖，夏天出現(xiàn)在加拿大的帝王蝶，跟冬天墨西哥高山上的帝王蝶，以及來年夏天的帝王蝶，并不是同一批，往后的批次是之前一代蝴蝶的子孫。

為什么帝王蝶能夠精確地遵循著父輩的腳步，一代接著一代的在千里之外之間來回遷徙？這個(gè)問題讓科學(xué)家疑惑并感到興奮。經(jīng)過長(zhǎng)期的跟蹤研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，與其他許多遷徙動(dòng)物一樣，蝴蝶利用視覺、嗅覺、太陽羅盤等多種感官進(jìn)行導(dǎo)航，其體內(nèi)遵循著接近24小時(shí)的生物節(jié)律（生物鐘）。蝴蝶在白天的遷徙中會(huì)根據(jù)生物鐘并參照太陽的位置來修正前進(jìn)的方向。

遺傳學(xué)家將與蝴蝶具有諸多相似特點(diǎn)的果蠅作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn)，果蠅變異種中的變異出現(xiàn)在編碼某種眼內(nèi)蛋白的基因上，這種蛋白即隱花色素。果蠅變種缺乏隱花色素，因而失去了感知生物鐘的能力。類似的隱花色素陸續(xù)在包括人類以及其他動(dòng)物的眼中發(fā)現(xiàn)，甚至一些更小的植物、光合微生物中也存在。

帝王蝶的觸角中也有隱花色素?？茖W(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，帝王蝶觸角中的這種物質(zhì)，使之能夠感知地球的磁場(chǎng)。正如人類歷史上不同時(shí)代的航海冒險(xiǎn)家，總是借助地球磁場(chǎng)進(jìn)行探索一樣，在更為久遠(yuǎn)的時(shí)間里，包括鳥類、昆蟲、哺乳動(dòng)物、魚類等許許多多生物，都進(jìn)化出了利用地磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航的能力。

極其微小的生物，在遷徙中利用顯然非常微弱的地球磁場(chǎng)辨別前行方向，這個(gè)發(fā)現(xiàn)令人震驚，科學(xué)界也是在多年后才接受這樣的結(jié)論。微小的磁場(chǎng)作用，在極其精細(xì)的生物平衡系統(tǒng)之中，可以起到?jīng)Q定性作用。20世紀(jì)末至本世紀(jì)頭10年，來自不同國家的物理學(xué)家、生物學(xué)家都在試圖揭示地球磁場(chǎng)定位及其因此帶來的生物化學(xué)反應(yīng)的奧秘。一連串的實(shí)驗(yàn)表明，鳥類導(dǎo)航的能力會(huì)被強(qiáng)度僅為地球磁場(chǎng)數(shù)千分之一的極度微弱磁場(chǎng)所干擾，而多種水生動(dòng)物、蜜蜂、微生物的磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)也在高頻開展之中。

一個(gè)明顯的事實(shí)是，磁感應(yīng)能力及其機(jī)制的廣泛分布表明這種能力源自不同生物的共同祖先，經(jīng)由遺傳而來。遺傳信息準(zhǔn)確地自我復(fù)制，是生命延續(xù)的根本動(dòng)力，而在這其中極個(gè)別信息出現(xiàn)變異，就導(dǎo)致物種出現(xiàn)進(jìn)化。生物學(xué)與量子力學(xué)就這樣發(fā)生了重要的交集。

英國最為有名的量子生物學(xué)家、薩里大學(xué)物理學(xué)教授吉姆·艾爾—哈利利與另一位量子生物學(xué)家、薩里大學(xué)分子遺傳學(xué)教授約翰喬·麥克法登合著的《神秘的量子生命：量子生物學(xué)時(shí)代的到來》，向讀者引介了正在從全新角度揭示生命奧秘的量子生物學(xué)的發(fā)展歷程。

量子力學(xué)在牛頓力學(xué)、熱力學(xué)基礎(chǔ)上，深化并重新塑造了物理學(xué)。德國物理學(xué)家馬克斯·普蘭克因追尋黑體輻射之謎，發(fā)現(xiàn)了能量以“量子”的離散團(tuán)塊傳遞，引導(dǎo)了量子理論誕生。這一全新領(lǐng)域、理論，刷新了現(xiàn)代自然科學(xué)諸多學(xué)科的進(jìn)展，也極大的擴(kuò)充了研究視野，也有助于人們用科學(xué)的方法去理解在過去被理解為神秘主義的現(xiàn)象、不可知的事物。量子的波粒二象性，直接賦予了量子隧穿的可能，還使得疊加態(tài)的現(xiàn)象出現(xiàn)，解釋了電子、質(zhì)子與中子拼合和拆離的秘密。當(dāng)然，量子的諸多有悖于常識(shí)、常理的特異性，是因?yàn)闃?gòu)成非生命物體的分子持續(xù)向各個(gè)方向隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因而被抵消了。

書中回顧了近代以來物理學(xué)和生物科學(xué)的發(fā)展歷史，聚集于“生命是什么”這一核心命題，就薛定諤所說的“生命正是一種能在空中飛翔、能用兩足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤里生長(zhǎng)……的量子現(xiàn)象”展開敘述。薛定諤的判斷被一代代物理學(xué)家和生物學(xué)家不斷否定，又在獲得新的成果后，重新納入研究視野。光合作用過程中的量子現(xiàn)象，人類及其他動(dòng)物的感官反應(yīng)背后所聯(lián)系的量子計(jì)算，等等，這些常見現(xiàn)象背后都隱藏著令人叫絕的量子反應(yīng)。

從細(xì)胞的研究到基因研究，科學(xué)家不斷拓展生物學(xué)研究視閾，一個(gè)重要的假設(shè)在后來獲得證實(shí)，即生命的遺傳密碼其實(shí)就是量子密碼，遺傳配置過程及極個(gè)別的變異，也遵循量子定律。對(duì)酶的研究揭示了量子隧穿現(xiàn)象，也說明量子現(xiàn)象完全可以發(fā)生在活細(xì)胞中熱、濕、亂的環(huán)境下?！懊缚梢跃_操縱基本粒子的運(yùn)動(dòng)，并能借此深入到量子世界中利用其奇異的法則”，這是酶具備催化能力的關(guān)鍵。

全書第七章談到了人類心智之謎。人類能否界定為精密的量子計(jì)算機(jī)？神經(jīng)科學(xué)家的這個(gè)判斷曾引發(fā)無數(shù)爭(zhēng)議，的確，哪怕將數(shù)十億臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也無法產(chǎn)生意識(shí)，更不要說與一個(gè)人大腦中千億級(jí)別的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力相比。但最早提出這方面判斷的牛津大學(xué)數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯的判斷，近年來獲得了越來越多科學(xué)同行的支持。量子計(jì)算機(jī)依照量子位計(jì)算，計(jì)算能力以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。羅杰·彭羅斯還曾推出專著，宣稱大腦中神經(jīng)元中的微管蛋白與其他神經(jīng)元中的微管蛋白維持著所謂的量子糾纏——如果這個(gè)判斷成立，大腦中海量的神經(jīng)元之間的聯(lián)系就完全得以證實(shí)，獨(dú)立的每條神經(jīng)所包含信息就可能以這種方式整合起來，大腦就可以稱之為原理神秘但是異常強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。

隨著量子生物學(xué)的發(fā)展，相信包括人類心智意識(shí)的秘密在內(nèi)的諸多懸念，都將一一宣告終結(jié)。未來，人類很有可能依照量子理論創(chuàng)造生命體，改進(jìn)人體在內(nèi)的生物體，讓世界的生命形態(tài)變得更加完善和美好。