自由基、方向感和神秘量子生命

自由基和方向感

在本章的开头我们曾经提出过一个问题：知更鸟在迁徙中依靠地磁场辨别前进的方向时，极度微弱的地球磁场究竟要如何才能对化学反应产生足够的影响，从而为动物提供有关方向的知觉？牛津大学的彼得·霍尔（Peter Hore）有一个精妙的比喻，它说明了这种极端的敏感性是可能的：

假设我们有一块1千克重的花岗岩砖块，试问一只苍蝇能不能把它推倒呢？按照常识，答案肯定是否定的。但是如果我在砖块的一条棱下垫上一些东西，把它悬空架起来，显然砖块难以自我平衡，而会根据自己的重量和形状分布出现向右或者向左倾斜的趋势。现在我们想象有一只苍蝇飞过来停在了摇摇欲坠的砖块上。尽管它的重量微不足道，但是停留在右侧的苍蝇足以让砖块倒向右侧而不是左侧。

这个比喻的意图，在于说明当微小的能量作用于极其精细的平衡系统时，同样可以达到决定结果的关键作用。所以，如果反映磁感觉的是生物体内的某个化学反应，那么它必须处于一种微妙的平衡状态，就像那块摇摇欲坠的花岗岩砖块一样，这样就可以把微小的效应——哪怕微小如地磁场——放大到足够大。

自由基

free radicals

舒尔滕研究的高速三重态反应中，化学键断裂后，两个带有未成对电子、相互分离的部分被称为自由基。

我们回过头来看克劳斯·舒尔滕的高速三重态反应。你应该还记得，原子之间的连接是通过共享电子对形成的化学键。这种电子对通常都具有量子纠缠并且总是自旋单态，也就是说，电子对中两个电子的自旋方向总是相反的。不过更重要的是，即便原子间的化学键断裂，原先成对的两个电子依旧能够保持纠缠态。舒尔滕研究的高速三重态反应中，化学键断裂后，两个带有未成对电子、相互分离的部分被称为自由基，自由基里的未成对电子有改变自旋方向的可能。于是，这让相互纠缠的电子对——即便现在它们位于分离的原子中——具备自旋单态和自旋三重态的叠加态。

这种量子叠加态一个显著的特征是，两种状态并不是以均等的概率存在的：检测电子对时，处于单态或是三重态的概率并不相同。此外，这两种状态存在的概率极易受到外加磁场的影响。事实上，外加磁场与分离电子对所形成的角度会严重影响检测结果，决定电子对究竟是自旋单态还是三重态。

自由基对一般非常不稳定，所以它们的电子会很快重新发生组合形成化学反应产物。反应最终产物的化学性质取决于单态-三重态平衡，而磁场对这种平衡有强烈的影响。如果这不好理解，我们可以把自由基参与的反应中间状态想成是那块勉强平衡的砖块。反应中间态的平衡如此微妙，以至于十分微弱的磁场——比如地球磁场，就好比那只苍蝇——还不到100微特斯拉就足以影响投掷一枚硬币的结果。硬币的一面是单态，另一面是三重态，投掷这枚量子硬币的结果决定了化学反应的产物。舒尔滕最终得出结论，这就是磁场能够影响化学反应的原理，并希望以此来解释鸟类利用磁场导航的能力。

但是舒尔滕对鸟类体内发生自由基对反应的位置毫无头绪——而看起来最说得通的位置应该是鸟类的大脑。按照舒尔滕的理论，磁场对生物体产生的效应必须首先依赖于自由基的存在（就像花岗岩砖块需要首先被垫高一样）。1978年，舒尔滕在哈佛大学展示了他团队的工作：在哥廷根大学的实验里他们用激光脉冲量产生纠缠态自由基对。

在他的听众里有一位名叫达德利·赫施巴克（Dudley Herschbach）的著名科学家，他也是日后的诺贝尔化学奖得主。在讲座接近尾声的时候，赫施巴克善意地刁难舒尔滕：“不过，舒尔滕啊，鸟的身体里哪有激光呢？”面对如此著名教授的刁难而想要做出合理的回答，舒尔滕面临的压力可想而知。如果激活自由基对确实需要光的参与，这个过程可能发生在鸟类的眼睛里，舒尔滕冷静地回答道。

在舒尔滕发表有关自由基对论文的前一年，也就是1977年，牛津大学一位名叫迈克·利斯克（Mike Leask）的物理学家在《自然》上发表过一篇文章，在文中利斯克推测感知磁场的能力也许的确与眼睛中的光感受器有关。他甚至大胆推测是眼内的一种色素视紫红质在起作用。当时恰好沃尔夫冈·维尔奇科读到了利斯克的论文，虽然利斯克没有实验证据证明光在鸟类的磁感应中起了重要作用，维尔奇科还是被利斯克的观点深深吸引了。于是维尔奇科随即着手准备验证利斯克的猜想。

当时，维尔奇科正在对信鸽进行实验，他希望证明信鸽会在离巢的路上记录磁场的信息，以便不会在归巢的路上迷失。他发现如果在运送信鸽的途中把信鸽暴露在一个外加磁场中，多数被释放的信鸽将找不到回家的路。受到利斯克的理论启发，他决定再进行一次类似的实验。只是这一次不是将信鸽暴露在外加磁场内，而是把它们关在一个密不透光的盒子里，维尔奇科把盒子放在车顶上，亲自开着自己的大众巴士运走了这批信鸽。这一次，被放出的信鸽再次出现了归巢困难的现象。这说明信鸽在离巢途中记录位置信息的过程，的确需要光参与。

维尔奇科夫妇和克劳斯·舒尔滕最终于1986年在法国阿尔卑斯山区举行的一次会议上见了面。当时他们都已经相信，知更鸟的磁感应依赖于射入眼睛的光，但是就像关注这个领域的其他所有科学家一样，维尔奇科夫妇和舒尔滕还没有完全认可自由基对理论的正确性。直到1998年，科学家在果蝇的眼睛里发现了隐花色素，这种物质最终被证实与光诱导的生物节律有关。重点在于，隐花色素是一类在光的激发下能够产生自由基的蛋白分子。这一点被舒尔滕和合作者牢牢抓住，他们认为隐花色素就是鸟类化学指南针的光受体分子。舒尔滕等人的成果在2000年发表，现在已经成为量子生物学领域经典的论文之一。论文的主要作者是我们在引言就认识的一位老朋友——索斯藤·里茨。里茨的研究完成于跟随克劳斯·舒尔滕攻读博士期间。里茨现在供职于加州大学欧文分校的物理学系，被认为是当今地磁觉领域的顶级学者之一。(www.xing528.com)

2000年发表的那篇论文之所以举足轻重有两个原因。首先，它提出了隐花色素是化学指南针机制可能的分子；其次，它以精美的细节描述了鸟类在地球磁场定位的过程中对射入眼睛的光的反应（虽然多数只是推测）。

磁感应产生的第一步是，位于隐花色素分子中心的光敏色素分子（FAD）首先吸收一个蓝光光子。我们已经在本章开篇时简单介绍过这种分子，它在吸收光子的能量后激发自身分子内某个原子的电子，电子激发留下一个空的轨道。空出的电子轨道会接收来自FAD分子内某个色氨酸残基纠缠态电子对的其中一个电子。分离电子对中的两个电子依旧保持纠缠态，而它们所组成的电子对则同时具有自旋单态和自旋三重态。自旋叠加态的电子对正是克劳斯·舒尔滕研究中对磁场极度敏感的化学反应体系。这里再次强调，自旋单态和三重态之间微妙的平衡性对地球磁场的强度和角度十分敏感，所以鸟类飞行的方向决定了这类化学反应最终产物的成分和构成。而后，化学反应产物的差异以一种至今都不甚明了的方式向鸟类的大脑传递信号（就像推翻那块砖头一样），告诉它距离最近的磁极位于哪个方向。

里茨和舒尔滕提出的自由基对理论的确非常令人赏心悦目，但是这真的就是事实吗？2000年时甚至没有证据可以证明隐花色素在光照下能够产生自由基。这个问题直到2007年才由亨里克·莫里特森（Henrik Mouritsen）在德国奥尔登堡大学的研究小组解决，他们成功地从园莺（garden warbler）的视网膜中分离出了隐花色素分子，并证明它们的确能够在蓝光下产生长时间存在的自由基对。

我们无法得知鸟类“看到”的磁场究竟是什么样的，但是作为与视蛋白和视紫红质一样的眼内色素，隐花色素很可能也参与到色觉的形成中。倘若当真是这样，那么天空在鸟儿的眼中看来，还可能会多一片描绘着地球磁场的别样色彩（就像有的昆虫可以看到紫外线一样）。

当索斯藤·里茨在2000年发表他的论文时，还没有人知道隐花色素在磁感应中扮演的角色；而如今，多亏了史蒂文·里珀特及其同事们的研究工作，我们已经知道，果蝇和帝王蝶感知外界磁场的能力也与隐花色素有关。2004年，研究人员在知更鸟眼内发现了三种不同的隐花色素分子；之后在2013年，维尔奇科夫妇（虽然沃尔夫冈已经退休了，他们还是一如既往的活跃）的论文论述了他们在鸡[51]身上提取到的一种隐花色素，这种隐花色素的吸收波长与其他在磁感应中有重要作用的隐花色素相同。

但是感知磁场的过程真的完全依赖于量子力学吗？2004年，索斯藤·里茨与维尔奇科夫妇携手，寻找经典指南针与利用自由基的化学指南针之间的区别。指南针理所当然会受到一切具有磁性的物体的干扰：把一个指南针靠近一块磁铁，它的指针就会从指向地球的北极变为指向磁铁的北极。标准的条形磁铁可以产生所谓的稳定磁场，这意味着它周围的磁场不会随时间而改变。尽管如此，我们依然可以用一块条形磁铁模拟出震荡的磁场——比如通过旋转条形磁铁的方式——这就让事情变得有趣起来了。经典指南针会受到震荡磁场的影响，不过前提是磁场的震荡足够缓慢，让指南针磁针的摇摆跟得上磁场的变化。如果磁场的震荡非常剧烈，比如说让条形磁铁每秒旋转100周，那么指南针的磁针将会无法跟随磁场摆动，磁场变化对指针的总体影响相当于零。因此经典指南针会受到低频震荡磁场的影响，而不是高频震荡磁场的影响。

然而化学指南针对磁场震荡的反应则完全不同。你肯定还记得，化学指南针有赖于自由基对自旋单态和自旋三重态的叠加态。两种自旋状态下系统的能量不同，而能量与频率有关。考虑到系统所具有的能量，因此两种状态下系统的频率应该在百万级别。一种经典的思路是（虽然严格来说这种想法并不准确），想象纠缠态的电子对每秒在单态和三重态之间发生数百万次的切换。在这种情况下，目标电子对可以和震荡的磁场以共振的方式发生互动，但是这只能发生在磁场的震荡频率与自由基对相同时：用我们第3章中调音的比喻，就是只有当两者合拍（in tune）时才可以。单态与三重态之间重要的平衡关系会因为共振系统输入的能量而发生改变，这种平衡及其变化就是化学指南针效应的机制——地球的磁场还没来得及施加影响，化学反应的砖块就已经倾覆了。因此，相比于经典的磁石指南针，自由基对指南针会受到高速震荡磁场而非低速震荡磁场的影响。

鉴于经典指南针和化学指南针显而易见的差异，里茨-维尔奇科小组着手准备了以知更鸟为对象的实验，以验证自己对鸟类体内存在化学指南针的预测：知更鸟体内的指南针到底会对低频还是高频的震荡磁场比较敏感呢？里茨-维尔奇科小组一直等到秋天才开始实验，那时正是知更鸟迫不及待进行南迁的季节，迁徙欲望强烈的知更鸟被放进埃姆伦漏斗里。研究小组的成员向漏斗内的知更鸟从不同方向施加频率各异的震荡磁场，研究人员希望看到哪一种震荡磁场可以干扰知更鸟辨别方向的能力。

实验结果令人咋舌：频率为1.3兆赫兹（也就是1秒震荡130万次）的磁场，强度仅仅是地球磁场的数千分之一，却能够干扰鸟儿导航的能力。调高或者调低频率都会降低磁场干扰的效应。这个频率的磁场似乎在与鸟类体内某种振动频率极高的成分发生共振：显然这不可能是经典指南针，倒有可能是具有自旋叠加态和纠缠态的自由基对。这个引人注目的结论同时也能说明，纠缠态的粒子对在退相干发生前必须存在至少1微秒的纠缠态会让高频变化的震荡磁场失去干扰的意义。

然而最近这项研究结果的意义受到了质疑。奥尔登堡大学的亨里克·莫里特森小组指出，各种电子设备产生的人为电磁噪音可以轻易穿过没有防护的木制鸟笼，影响它们的定向能力。在用铝片防护屏屏蔽掉大约99%的城市电磁噪声后，鸟类的定向能力马上就能恢复。他们的实验结果说明，影响鸟类定向能力的射频电磁场可能并不是局限在某一段特定的波长内。

关于鸟类的指南针还有许多未解之谜：比如，为什么知更鸟对振荡磁场具有如此高的敏感性，或者自由基如何能够维持足够久的纠缠态以完成生理过程等。2011年，牛津大学的弗拉特科·韦德拉（Vlatko Vedral）实验室提出了关于自由基对指南针的量子理论计算，计算结果认为，自由基的叠加态和纠缠态可以维持至少数十微秒，远远超过了许多人造分子体系所能实现的时间跨度，这也极有可能为知更鸟提供关于方向的信息。

这些杰出的研究激发了人们对磁感应的浓厚兴趣，现在人们已经在多种鸟类、龙虾、魟、鲨鱼、长须鲸、海豚、蜜蜂甚至微生物中都发现了磁感应的存在。在多数情况下，人们对这种知觉的原理知之甚少，但是目前主流的隐花色素介导磁感应理论已经在众多物种中被发现，从我们提到的知更鸟到鸡和果蝇，以及许多我们没有提及的其他生物，甚至包括植物。2009年，捷克的一个研究团队发表了他们的研究成果，证实美洲大蠊也具有磁感应，而且与知更鸟类似，会受到高频震荡磁场的干扰。2011年的一项后续研究表明，大蠊的定向能力也需要隐花色素参与。

一种能力以及其机制在自然界如此广泛的分布意味着这种能力是从生物共同的祖先遗传而来的。但是鸡、知更鸟、果蝇、植物和大蠊的共同祖先生活在十分遥远的古代：大约5亿年以前。因此量子指南针很可能由来已久，它为称霸白垩纪的爬行动物，为二叠纪称霸海洋的鱼类，为寒武纪布满地球每个角落的古老节肢动物，甚至为作为细胞生命祖先的前寒武纪微生物提供过所需的定向信息。爱因斯坦也无法解释的那种幽灵般的超距作用，却一直在历史上绝大多数的时候，帮助地球上的生命寻找着它们前进的目的地。