何谓量子生物学？

量子生物学是一种非常前沿的交叉学科，它主要研究量子物理学与生命系统的交集。在过去一百年，许多伟大的科学家都在考虑量子物理与生命有何关系。

在探索生命的基本过程中，生物学领域传统上依赖应用经典物理学和化学的原理。这在20世纪已经取得了巨大的成就。然而，有许多生物现象，使用传统的物理学和化学还无法很好的解释。于是，近年就诞生了一个新兴的科学领域，就是量子生物学 (quantum biology) 。该领域试图通过深入研究生物现象的量子性质来了解生命系统如何在微观层面上进行运作。

事实上，这种趋势并不意外。我们知道生命系统由原子、分子和蛋白质、DNA等大分子（macro-molecules）构成。它们本质上是量子物质；细胞里的组织更是属于纳米结构；它们的性质和相互作用无法仅靠经典物理学来解释。如果要真正了解生命系统在微观层面上的运作，我们就必需使用量子物理来研究和解释。

量子生物学其实可以包含几种意义：首先，量子物理可以作为一种实验手段来探讨生命系统的结构和功能。这方面的研究在几十年前已经开始。另外，量子物理作为一种原理，可以用来更精微地解释生命系统的运作。这方面的研究在最近才开始进行。最后，量子物理的研究还可以提供一些新的技术用来改善我们对生命系统的了解，从而促进了医学的发展、增进了人类的健康。

量子生物学从空想到科学的发展

量子生物学的起源可以追溯到20世纪初，即量子力学刚刚建立后不久。当时有许多哲学上的考虑和争议。长期以来，欧洲科学家对于生命的运作原理是什麽有着极大的争论。有一派学者认为，生命与非生命的物质世界没有什么分别，它们采用同样的原理来运作。这一派被称为“生命的机械论”（mechanism）。在他们的眼里，生命只是一个非常精微的机械。

相反的，另外一派的学者认为生命与非生命世界是完全不一样的。生命系统有它独特的自然运作规律，它的运作依靠一种神秘的“生命力”（vital force）。这种力在非生命系统中是不存在的。这一派被称为“生命论”（vitalism）。使用这种生命力的假说，就可以很容易地解释为何人有灵魂，而一块石头没有。

第三派的学者是第一派的改良派。他们认为生命系统与非生命系统基本上是应用同一套自然规则，只是对于非生命世界的物质来说，它们比较简单；应用传统的经典物理学和化学就可以充分地解释。至于生命系统，它复杂得多。目前已知的经典物理学和化学还不足以完整地解释生命的运作；还需要一些未知的原理。但只要我们能更进一步地在更深层次上了解物理和化学的运作原理，我们以后就可以解释生命。这一派被称为“生命的有机论”（organicism）【注1】。

到了20世纪初，量子物理开始出现。当时许多量子物理学家就认为，在organicism学派里面提到的“生命的未知原理”，可能就是“量子力学”。当时抱有这样的想法的知名科学家包括玻尔（Niels Bohr），佐敦（Pascual Jordan）, 和薛定谔（Erwin Schrödinger）。玻尔是最早提出量子生物概念的人。他在1929年的一次演讲里面就提到，量子物理可能可以帮助人们解开生命之谜。不过在当时，玻尔并没有具体的想法，他只是提出一种方向性的猜想。由于玻尔在当时是非常有影响力的科学家，他激发了一个德国物理学家Pascual Jordan对于量子生物的兴趣。Jordan在1932年写了一篇论文“Quantum mechanics and the fundamental problems of biology and psychology”,里面讨论了不少关于量子物理与生命科学的关联。不过，后来由于Jordan大力支持德国的纳粹党，引起许多人不满，欧洲的科学家就很少提起他了【注1】。

在今天的文献里，把量子力学与生命结合最著名的科学家是埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）。薛定谔是量子力学一位主要的奠基者。他在1933年因为对量子物理的贡献而获得诺贝尔奖。他在1944年发表了一本小书《What is Life? 生命是什么？》。（见图1 ）。在书中他明确地提出，经典的物理学是不足以解释生命里一些特殊的本质，例如基因和遗传。因此，他认为量子物理可能与生物体内的遗传机制有着紧密的关系。他并推测，生物体内的遗传物质很可能是由一種不規律的晶體构成【注2】。

 图1：薛定谔在1944年发表了一本书《生命是什么？》

玻尔和薛定谔都是非常聪明的科学家，他们在量子科学里做出卓越的贡献。可是在他们的年代（20世纪的前半段），现代的生物学还没有充分的发展。许多关于细胞内的结构和功能（包括遗传基因和细胞的调控机制）当时还不是十分清楚。所以这些科学家对于“量子生物”的看法，只能说是在猜想的阶段。

直到20世纪中叶，出现了更复杂的实验技术才使得现代的生物学得到长足的发展。在这个过程中，量子物理作为一种实验手段对生命的研究做出了非常重要的贡献。以下让我们举两个比较突出的例子。

第一个例子是利用X射线衍射（X-ray diffraction）技术发现了DNA的双螺旋结构从而在物理上解释了DNA这种大分子为何能够记载了生物的遗传信息，也就是基因。这项工作在1950年代在英国的剑桥大学完成【注3】。

第二个例子是我自己曾经参与过的工作。在1970年代初，我们利用一种”自旋回声核磁共振”(spin-echo NMR) 技术，发现细胞内的水的物理性质随着细胞的病理状态而改变。我们发现通过NMR的测量，癌细胞里的水的弛豫时间（relaxation time）与自旋扩散系数（spin-diffusion coefficient）与正常细胞有显著的不同。这项发现奠定了今天用MRI诊断癌症的物理基础【注4】。

到了20世纪的下半叶，许多从量子物理发展出来的技术已经大批地应用到生物学之中。例如利用雷射显微镜及光子的量子性质，生物物理学家大量地应用了生物光子技术（Bio-photonics）来研究活细胞内单分子的活动，从而对细胞的调控机制得到了深入的了解【注5】。

到了21世纪初，有些研究更进一步地发现有些生物的异常表现直接利用了量子物理的特殊效应【注6】。这些最新的研究包括：

1.      使用量子相干性（quantum coherence）来解析植物光合作用的的惊人效率。经典生物学可以说明在光合作用中，光能如何转化为化学能的过程。但它无法解释光合分子反应中心能量转移的效率为何能接近100%。量子生物学通过量子相干性（quantum coherence）的概念对这种效率提供了一种新的解释。据观察，在光合作用中，分子的激发态可以通过量子叠加同时采取多条通路，以找到最有效的能量转移路径。忽视这些分子的量子性质将难以解释这一高效过程。

2.      量子力学在生物系统中发挥作用的另一个引人注目的例子是鸟类的导航。研究表明，鸟类可能利用量子纠缠（quantum entanglement）来强化它的磁感应过程来感知地球磁场，从而帮助它们进行长距离导航。据说，欧洲知更鸟和其他物种的眼睛中含有蛋白质，可以通过量子纠缠对磁场作出反应，根据地球磁场提供方向信息。

3.      使用量子隧穿(quantum tunnelling)来解释生物体内某些酶的快速反应过程。在这些酶的作用中，其中某些原子的位移是靠穿过能量屏障而不是越过它。这种机制在酶中的氢原子中可见，它以比传统化学快得多的速度来促进生物反应。了解这些量子效应不但会增进我们对酶功能的理解，还会帮助我们设计高效药物和新的治疗方法。

量子物理与生物智能

我估计，在未来，量子物理在神经科学中将有大规模的应用。

现在人工智能AI已经成为一种非常热门的学科。不过，我们不要忘记，AI 只不过是模仿生物智能。生物智能其实比人工智能更为复杂。许多人已经意识到，人脑可以说是一台碳基的超级计算机（carbon-based supercomputer)。事实上，人脑在功能上比许多超级计算机还厉害。人脑可以执行的任务非常复杂，包括驾驶汽车或飞机、分清友敌、进行下棋等各种游戏，和从事多种体育活动等等。这些任务没有一部超级计算机能单独完成。另外，在艺术创作领域，如绘画或创作音乐，人脑或艺术家可以做得比计算机更好。因此，从功能的角度来看，人脑很容易超越一台超级计算机。

但是，我们不知道人脑这台非常复杂的超级计算机是如何运作的。这就需要量子物理。今天最先进的超级计算机通常使用并行数据处理（parallel processing）。一些传统计算机使用串行数据处理，但当前的AI更多地依赖于并行数据处理。为了满足超大量数据处理的需求，并行数据处理的基本单位不是依靠传统的CPU，而是依靠GPU （图像处理器）。数据处理架构在过去几十年中不断发展。大自然比工程师聪明得多。为了拥有如此高效的人脑，大自然从一开始就使用更强大的并行数据处理架构。因此，人脑显然使用GPU而不是CPU来进行数据处理。要了解人脑如何运作，就必需把量子物理应用到脑科学之中。下面让我们进一步地说明。

图2：人脑是一台碳基的超级计算机，神经元是一种IC芯片， 就像AI里使用的GPU. 

神经元是一种IC芯片

在生物智能系统中，它的基本信息处理单元是神经元（neuron)。神经元如何工作？它主要靠并行数据处理。人脑中的一个神经元有无数的树突（dendrites）,可以与上千个其他的神经元相连。在神经元树突的末端，与另一个神经元接触形成了一个突觸（synapse）。如果突触前末端的神经元受到刺激，它可以通过释放化学信号将刺激传递给突触后神经元。这些信号可能是兴奋性的，也可能是抑制性的。突触中的关键组织是细胞膜上的离子通道 (ion channel)。离子通道可以让某些离子，例如钠、钾、氯、钙等穿过细胞膜，在局部区域改变电位。这种电信号的变化，就可以作为对神经元的输入或输出。

离子通道是一个量子装置

在传统的生物学里，离子通道的运作通常基于机械观点来解释。在当今的生物学文献中，离子通道被模拟为细胞膜上的水孔（water pore）。（见图3左）。这个孔上有一个门，可以打开或关闭。当门打开时，离子可以通过水孔。当门关闭时，离子不能通过。如图3中所示，离子通道被视为一个机械装置，电信号的控制是通过机械结构的移动来实现。

我们认为，这种机械模型实在过于简单了，它无法解释人脑中的快速数据处理。事实上，早在1980年代，我们就一直在争论调控离子通道的物理过程【注7】。我们注意到，离子通道是一个纳米结构，其运作必然受到量子物理规律的影响。为了解释生物超级计算机的快速数据处理和巨大的计算能力，我们设想离子通道更像一个量子装置，它可以通过量子物理的机制来调节离子的流动。我们认为离子很可能通过使用量子隧穿(quantum tunnelling) 效应来通过离子通道，类似于某些酶作用中氢离子的隧道效应。当然，这是一个新的研究领域；还有很多工作要做。

图3：（左）传统的生物学者使用机械观点来解释离子通道的运作。他们把离子通道模拟为细胞膜上的水孔（water pore）。（右）事实上，离子通道是一个纳米结构，他的运作只能用量子物理来解释。

展望未来，量子生物学将是一个极富发展潜力的领域，有望彻底改变我们对生命过程的理解，并有可能带来医学、计算等领域的技术创新。通过不断探索生命的量子基础，科学家们就可以从最基本的层面揭开自然界的奥秘，深入地了解生命系统的精微机制和原理。

注:

1.      J. McFadden and J. Al-Khalili, "The origins of quantum biology," Proc. R. Soc. A. 474, 20180674 (2018).

2.      E. Schrödinger, What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. (Cambridge University Press, 1992), Original edition published in 1944.

3.      J. D. Watson, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. (Atheneum, 1986).

4.      Chang,D.C., “A new understanding on the history of developing MRI for cancer detection”. arXiv, 2405.00053. (2024). https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.00053

5.   Chang, D.C. “Using biophotonics to study signaling mechanisms in a single living cell”. Intl J Mod Phys B, 21      (23/24):4091-4103. (2007).

6.      Lambert, N. et.al., “Quantum biology”. Nature Physics, 9(1), 10. (2012).

7.   Chang, D.C., Tasaki, I., Adelman, W.J., Jr., and Leuchtag, H.R. (Eds). Structure and Function in Excitable Cells, Plenum Publishing Co., New York. (1983).