蝴蝶遷徙背后的量子秘密

鄭渝川

量子理論刷新了現代自然科學諸多學科的進展，也極大的擴充了研究視野，也有助于人們用科學的方法去理解在過去被理解為神秘主義的現象、不可知的事物。

帝王蝶每年9～11月，會從加拿大東南部及美國中北部，朝著西南方向開始長達3000多公里的飛行遷徙。這是一個壯觀的飛行旅程，帝王蝶途中會經過沙漠、大草原、田野、山林以及一大片的淡水河谷，最后到達墨西哥中部山區，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，事實上，沒有一只帝王蝶可以完整地經歷南遷及北歸。帝王蝶會在遷徙中繁殖，夏天出現在加拿大的帝王蝶，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？這個問題讓科學家疑惑并感到興奮。經過長期的跟蹤研究，科學家發現，與其他許多遷徙動物一樣，蝴蝶利用視覺、嗅覺、太陽羅盤等多種感官進行導航，其體內遵循著接近24小時的生物節律（生物鐘）。蝴蝶在白天的遷徙中會根據生物鐘并參照太陽的位置來修正前進的方向。

遺傳學家將與蝴蝶具有諸多相似特點的果蠅作為實驗對象。研究發現，果蠅變異種中的變異出現在編碼某種眼內蛋白的基因上，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在包括人類以及其他動物的眼中發現，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。科學家進一步發現，帝王蝶觸角中的這種物質，使之能夠感知地球的磁場。正如人類歷史上不同時代的航海冒險家，總是借助地球磁場進行探索一樣，在更為久遠的時間里，包括鳥類、昆蟲、哺乳動物、魚類等許許多多生物，都進化出了利用地磁場進行導航的能力。

極其微小的生物，在遷徙中利用顯然非常微弱的地球磁場辨別前行方向，這個發現令人震驚，科學界也是在多年后才接受這樣的結論。微小的磁場作用，在極其精細的生物平衡系統之中，可以起到決定性作用。20世紀末至本世紀頭10年，來自不同國家的物理學家、生物學家都在試圖揭示地球磁場定位及其因此帶來的生物化學反應的奧秘。一連串的實驗表明，鳥類導航的能力會被強度僅為地球磁場數千分之一的極度微弱磁場所干擾，而多種水生動物、蜜蜂、微生物的磁感應實驗也在高頻開展之中。

一個明顯的事實是，磁感應能力及其機制的廣泛分布表明這種能力源自不同生物的共同祖先，經由遺傳而來。遺傳信息準確地自我復制，是生命延續的根本動力，而在這其中極個別信息出現變異，就導致物種出現進化。生物學與量子力學就這樣發生了重要的交集。

英國最為有名的量子生物學家、薩里大學物理學教授吉姆·艾爾—哈利利與另一位量子生物學家、薩里大學分子遺傳學教授約翰喬·麥克法登合著的《神秘的量子生命：量子生物學時代的到來》，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的發展歷程。

量子力學在牛頓力學、熱力學基礎上，深化并重新塑造了物理學。德國物理學家馬克斯·普蘭克因追尋黑體輻射之謎，發現了能量以“量子”的離散團塊傳遞，引導了量子理論誕生。這一全新領域、理論，刷新了現代自然科學諸多學科的進展，也極大的擴充了研究視野，也有助于人們用科學的方法去理解在過去被理解為神秘主義的現象、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，還使得疊加態的現象出現，解釋了電子、質子與中子拼合和拆離的秘密。當然，量子的諸多有悖于常識、常理的特異性，是因為構成非生命物體的分子持續向各個方向隨機運動，因而被抵消了。

書中回顧了近代以來物理學和生物科學的發展歷史，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……的量子現象”展開敘述。薛定諤的判斷被一代代物理學家和生物學家不斷否定，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象，人類及其他動物的感官反應背后所聯系的量子計算，等等，這些常見現象背后都隱藏著令人叫絕的量子反應。

從細胞的研究到基因研究，科學家不斷拓展生物學研究視閾，一個重要的假設在后來獲得證實，即生命的遺傳密碼其實就是量子密碼，遺傳配置過程及極個別的變異，也遵循量子定律。對酶的研究揭示了量子隧穿現象，也說明量子現象完全可以發生在活細胞中熱、濕、亂的環境下。“酶可以精確操縱基本粒子的運動，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算機？神經科學家的這個判斷曾引發無數爭議，的確，哪怕將數十億臺計算機聯網，也無法產生意識，更不要說與一個人大腦中千億級別的神經元網絡的計算能力相比。但最早提出這方面判斷的牛津大學數學家羅杰·彭羅斯的判斷，近年來獲得了越來越多科學同行的支持。量子計算機依照量子位計算，計算能力以指數級增長。羅杰·彭羅斯還曾推出專著，宣稱大腦中神經元中的微管蛋白與其他神經元中的微管蛋白維持著所謂的量子糾纏——如果這個判斷成立，大腦中海量的神經元之間的聯系就完全得以證實，獨立的每條神經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大的量子計算機。

隨著量子生物學的發展，相信包括人類心智意識的秘密在內的諸多懸念，都將一一宣告終結。未來，人類很有可能依照量子理論創造生命體，改進人體在內的生物體，讓世界的生命形態變得更加完善和美好。