量子生命:离子通道中的量子相干性

离子通道

神经元细胞膜上的离子通道，是大脑中存在量子力学现象的可能位置。我们已经说过，神经元的离子通道调节着动作电位——也就是神经信号——在大脑中作为信息的传递，所以它们在神经信息的处理中起着关键性作用。离子通道只有大约10-9米（大约1.2纳米）长，而宽度不到长度的一半，所以离子只能一个一个通过。尽管如此，离子穿过通道的速度非常快，达到了大约每秒1亿个。除了速度快之外，离子通道还具有选择性：钠离子只比钾离子小了一点点——你可能会天真地认为钠离子应该可以通过任何允许钾离子通过的离子通道，然而事实是，钾离子通道中每穿过1万个钾离子，才有可能错漏过一个钠离子。

高效的离子转运速度以及超凡的离子选择能力，让离子通道成为动作电位快速传播的保证，动作电位快速传播得以在大脑形成我们迅捷的思维。但是离子通道如何同时保证转运速度和精确度却一直是个谜。联想到第3章讨论光合作用中能量传递的情形，会不会又是量子力学的功劳呢？是量子力学加快了大脑中离子的转运吗？

2012年，萨尔茨堡大学的神经科学家古斯塔夫·波洛伊德（Gustav Bernroider）与维也纳科技大学原子研究所的约翰·萨姆哈默（Johann Summhammer）合作完成一个量子力学模拟实验：他们让一个离子穿过一个电压门控离子通道，结果发现，离子在穿越通道后发生了离域化（指其位置变得不确定），离域化更像是波而不是实体粒子的性质。不仅如此，振动频率颇高的离子波还以共振的方式向周围的通道蛋白传递能量，共振让离子在穿越通道时损失掉将近一半的能量。所以，离子通道就像是一个冰箱，它通过吸收与其共振离子的动能，降低离子的“温度”，离子通道的“冷却”让离子保持离域化的量子状态并且延迟退相干的发生，使其能够以量子的方式快速穿越离子通道。同样的原理也可以解释离子通道的选择性，由于共振程度不同，把钾离子换成钠离子之后钾离子通道的“冷却作用”也相应发生了改变：相长干涉能够促进钾离子的传递而相消干涉则会阻碍钠离子传递。研究团队最后总结认为，量子相干性在神经离子通道传导离子的过程中“不可或缺”，换句话说，量子相干性是思维的必要条件。

需要强调的是，上述实验的研究人员并没有暗示具有量子相干性的离子可以作为量子位，他们也没有暗示离子在意识的形成中具有重要作用；看到这个实验的第一眼，你可能觉得它和捆绑问题根本没有关系，这样的研究如何帮助我们理解意识的本质呢？与彭罗斯-哈梅罗夫的微管理论不同，至少离子通道在神经活动中有明确的作用——它们控制着动作电位——离子通道的状态反映了神经元的状态：如果神经元正在兴奋放电，那么离子就在快速流入（别忘记它们是以量子波的形式）开启的离子通道；而如果神经元处于静息状态，那么离子通道也相应地处于静息状态。所以，既然大脑中所有兴奋和非兴奋的神经元以某种方式编码了我们的思维，那么这些思维同样可以被所有离子进出细胞形成的量子流所反映和编码。

那么单个思维要如何才能被整合为完整的意识呢？如果仅仅是一个离子通道——无论是量子性的还是经典的——对于承载物体的视觉信息来说，比如一头野牛，都还远远不够。要参与意识的形成，离子通道之间必须以某种方式相互连接。量子力学对此有所助益吗？比如说，有没有一种可能性，一个通道里的离子不仅仅与同一个通道里的其他离子存在量子纠缠，还与周围通道里的离子甚至周围其他神经元离子通道里的离子存在量子纠缠呢？这几乎不可能。离子通道以及其中的离子与彭罗斯-哈梅罗夫理论中的微管面临着同样的问题。如果说相邻离子通道内的离子存在纠缠态还勉强有可能的话，那么在大脑温暖、潮湿、高度动态的退相干环境里，不同神经元之间的离子可以保持纠缠态则完全是痴人说梦。没有神经元之间的联系，也就无法解决捆绑问题。

如果离子通道的纠缠态无法实现，还有什么能够作为量子信息绑定的媒介呢？的确还有一种可能：电压门控离子通道。顾名思义，这种离子通道对电压变化十分敏感：电压是对电场梯度分布的衡量，也是开启和关闭离子通道的原动力。大脑内的所有空间都充斥着它自己产生的电磁场，它是所有神经元电生理活动的总和。大脑电磁场是脑扫描技术的例行检查项目，比如脑电图和脑磁图。如果你看到过脑电图或者脑磁图的扫描结果，肯定会惊讶于它们惊人的复杂性和所包含信息的丰富性。大多数神经学家都忽略了大脑电磁场对思维的潜在影响，因为他们习惯于把大脑的电磁场看作火车的汽笛：它们都是自身活动的产物而对它们本身没有什么影响。但是，包括麦克法登在内的一些科学家已经开始改变想法了。他们认为，意识可能不是离散思维的综合，而是大脑电磁场联合影响下的体现，电磁场为捆绑问题的解决以及意识的形成提供了可能。

为了表述更清楚，我们可能需要多讨论一些与场（Field）相关的内容。场的衍生概念来自它的本意：它表示在空间上铺展的事物，比如打谷场[75]或者足球场。在物理学中，场的基本含义没有改变，但是通常指能对物质施加力的能量场。引力场可以移动其中任何具有质量的物体，电场或者磁场则可以移动带电荷或者具有磁性的粒子，比如穿过神经元细胞膜上通道的离子。(www.xing528.com)

19世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现电和磁是同一种现象的两个方面，于是两者被合称为电磁（electro-magnetism），两者的场则合称为电磁场。爱因斯坦的质能方程：E=mc2。左边代表能量而右边则包含了质量，这个著名的公式阐明了能量和质量之间的可转化性。所以具有能量的大脑电磁场——相当于爱因斯坦公式的左边——与构成大脑神经元的物质没有本质区别。由于大脑电磁场是由神经元放电产生的，所以它编码与神经元放电相一致的大脑信息。但是与无法直接共享信息的单个神经元放电不同，大脑电磁场中包含了所有神经元的放电信息，这为捆绑问题的解决提供了可能。此外，通过影响电压门控离子通道的开闭，大脑电磁场直接影响了具有量子相干性的离子活动。

20世纪初，意识的电磁场理论刚刚提出，那时还没有直接证据显示大脑电磁场能够影响神经元的兴奋，进而影响我们的思维和活动。不过，后来在数个实验室里完成的实验都证实，与人类大脑强度、组成相近的外加电磁场的确能够影响神经元的放电和兴奋。实际上，电磁场的作用看起来像是协调神经元兴奋：使众多神经元同步放电，让它们同时兴奋。这些发现提示大脑神经元兴奋所产生的电磁场，同样有可能影响神经元的放电活动，形成一种自我调节的环路。许多理论学家认为，这就是意识的必要组成。

大脑电磁协调神经元同步放电的现象在解决意识这个谜题时显得非常重要，因为这是为数不多的与意识有明确关联的神经活动之一。我们可能都有过这样的经历：看着一堆杂物，然后突然在眼皮底下发现了我们要找的东西，比如一副眼镜。当我们盯着那堆杂物时，编码眼镜的视觉信号确实传入了我们的大脑，但是由于某种原因我们没有看到这个正在寻找的物体：或者说，我们没有意识到它的存在。而后来我们又看到了要找的东西。对于同一个视野来说，我们的大脑究竟发生了什么变化，使我们看到了原本没有意识到的东西？显然，神经元的兴奋和放电似乎没有变化：不论我们是否看到了眼镜，同一个视野总是会使相同的神经元兴奋。区别在于，当我们没有看到眼镜时，神经元的放电不同步；而在我们看到眼镜时，它们则同步放电。电磁场联系了大脑中分布在不同部位的离子通道，协调了神经元的同步放电，这可能就是决定意识或者无意识的关键。

我们必须强调，大脑电磁场或者大脑具有量子相干性的离子通道这两个概念，是用于解释意识的，它们不能作为任何“超自然现象”的证据，例如心灵感应。这两个概念只适用于一个大脑内发生的神经活动——它们不可能造成两个大脑之间的相互影响。另外，我们在探讨彭罗斯有关哥德尔命题的观点时就已经说过，与我们在书中探讨过的其他生物学现象（比如酶促反应和光合作用）不同，实际上没有证据显示，意识活动的解释必须要依靠量子力学。但是鉴于我们已经发现奇特的量子力学参与了许多重要的生命现象，而它却唯独与生命最神秘的产物——意识——无关，这真的有可能吗？对此，我们希望读者们仁者见仁，智者见智。本章构建的理论框架，包括具有量子相干性的离子通道，以及电磁场对意识的影响，都仅仅是假说，只希望它能为量子和经典范畴里的大脑提供些许相互联系的可能。

牢记这点，让我们回到法国南部那个漆黑的洞穴里，完成我们的因果链。我们的艺术家泰然自若地站在石壁前，看着火把的火光在灰色的石壁上跳跃。有几幕岩石和火光的画面把一头野牛的形象带入了她的脑海。这足以在她的脑袋里产生一个念头。在波动的脑电磁场影响下，位置不同的众多神经元打开了具有相干性的离子通道。同步放电的神经元爆发动作电位，动作电位从她的大脑传出，经过突触连接向下传到她的脊髓。在那里神经信号又通过神经-神经接头传入运动神经元。运动神经元在神经-肌肉接头处释放神经递质，使她手臂上的肌肉兴奋。肌肉收缩引起手臂相应的运动，她在墙壁上挥动前臂，用木炭勾勒出野牛的轮廓。然后，最重要的是，她知道她做这一切的原因是她大脑里的一个念头。她不是一具行尸走肉。

三万年之后，肖韦的手电灯照在了洞穴的同一面墙上，那颗早已逝去的头颅中乍现的灵光，又通过另一个人的心智迸发出耀眼的光芒。