正文
人工光合作用系统，新一代人工鼻子，嗅觉传感器……这些未来发明听起来是不是很高级？其实，它们的底层技术都依赖于一门科学——量子生物学。
量子生物学是一个新兴的研究领域，它通过探索量子现象如何影响生物过程来弥合量子力学和生物学之间的差距。
量子力学可以用来理解那些经典物理定律无法准确描述的生物过程，更进一步讲，
量子生物学能够应用量子理论来提供经典物理学无法提供的答案
，旨在将量子物理学的见解（在原子和亚原子水平上研究粒子行为）与宏观尺度上的生物体研究相结合。
量子+生物领域的技术进步，使科学家能够更深入地探索微观世界，揭示了叠加、纠缠和隧穿等量子效应可能在光合作用、酶活性甚至DNA突变等过程中发挥关键作用。
量子生物学的演变
量子力学对生物学有影响的概念自20世纪就已经存在。1944年，物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）出版了他的著作《什么是生命》，他在书中提到
量子力学对于理解遗传信息如何在DNA中保存至关重要
。然而，直到20世纪末和21世纪初，才有实验证据开始证实量子效应可以在生物系统中发挥重要作用。
图：薛定谔
量子生物学领域一直面临诸多质疑，因为传统生物学植根于经典物理学。但是，光谱学、冷冻电子显微镜和其他先进成像方法等技术的进步，挑战并扩展了我们对生物学的经典理解。
21世纪初，随着在光合生物中发现量子相干性，量子生物学取得了重大突破。这一发现表明，植物、藻类和某些细菌在光合作用过程中利用量子相干性来传递能量，从而达到用经典物理学无法单独解释的效率水平。
生命之谜背后的量子力学
量子生物学是一门新兴的交叉学科，它将量子力学的基本概念应用于生物系统的分析中。尽管量子力学的传统应用领域主要涉及无生命的物质，但近年来的研究表明，这些原理在生物过程中也可能发挥着关键作用：
1.
量子叠加
：这一原理揭示了粒子在未被观测或测量之前，能够以多种可能的状态共存。在生物体系中，量子叠加可能在诸如光合作用等过程中扮演重要角色。在这些过程中，能量能够在分子间以一种看似同时存在于多种状态的方式进行传递。
2.
量子纠缠
：当两个或多个粒子形成纠缠态时，它们的状态将变得相互依赖，即使这些粒子相隔甚远，其中一个粒子的状态变化也能瞬间影响到另一个粒子。有研究提出，量子纠缠可能在某些生物导航机制中发挥作用，例如鸟类的迁徙。在这一过程中，鸟类视网膜中的纠缠粒子可能使它们能够感知地球的磁场。
3.
量子隧穿
：量子隧穿现象描述了粒子能够穿越在经典物理学中看似不可逾越的势垒。在生物化学领域，这一现象被认为在酶催化反应中起着至关重要的作用。通过量子隧穿，质子或电子能够“穿透”能量壁垒，从而显著加速了化学反应的速率。
通过深入探索这些量子效应在生物体系中的应用，科学家们希望能够揭示更多关于生命过程的奥秘，并为未来的生物技术发展提供新的视角。
为能源、医学、化学等领域带来变革
量子生物学是一个充满潜力的新兴领域，尽管目前还处于发展初期，但其潜在的应用前景非常广阔，在医学和环境科学中都占有一席之地。
提升光合作用效率
量子生物学最重要的应用之一，就是研究光合作用效率的提高。光合作用是植物、藻类以及某些细菌将太阳光能转化为化学能的关键过程。
近期的科学发现揭示，光合生物中的光捕获复合体能够利用量子相干性来实现极其高效的能源转移。这一机制使得它们能够高效地捕获太阳光并转化为可用的化学能，其效率之高超出了经典物理学的预期。这一突破性的发现为
未来的能源技术
开辟了新的可能性。
科研工作者正致力于模拟和增强这些量子过程，以期开发出人工光合作用系统。这些技术的进步有望通过创造能够高效转化太阳能为燃料的新型太阳能电池或合成叶片，彻底革新能源产业。这有可能为我们提供一种可持续的可再生能源解决方案，有望
减少对于化石燃料的依赖
。
图：研究成果于2024年3月发表于
《Science Advances》
来源：《Science Advances》
最近在《Science Advances》（科学进展）上发表的一项研究进一步证实了光合作用中量子相干性的存在。研究团队利用二维电子光谱技术观察了光收集复合体中的能量转移过程，揭示了量子相干性在提高这一过程效率中的核心作用。这项研究为植物利用量子效应来增强能量捕获的假说提供了有力证据，也为太阳能技术的发展开辟了新的道路。
嗅觉技术的革新
量子生物学不仅在光合作用和能量转换等领域展示了其潜力，还为我们理解嗅觉机制提供了全新的视角。
传统上，我们认为嗅觉是通过分子与鼻腔内受体的结合来实现的。然而，量子生物学提出了一种新颖的嗅觉理论，即
量子嗅觉理论
。这一理论认为，我们的嗅觉可能涉及到通过量子隧穿现象来感知分子的振动。
图：一种测试人类气味的新方法表明，气味分子中的分子键振动会影响感知到的嗅觉强度
来源：《AIP Advances》
在量子物理学中，量子隧穿现象允许粒子如电子穿越理论上无法逾越的能量壁垒。这一现象暗示，嗅觉受体可能通过量子隧穿来感知气味分子的振动模式，从而赋予我们更为精细的嗅觉体验。
如果这一量子机制得到验证，它可能会
催生出新一代的人工鼻子和嗅觉传感器
。这些技术的应用前景非常广阔，它们可以通过提高食品和饮料的质量控制、加强环境监测，甚至通过更精确地检测微量物质来增强安全性，从而为多个行业带来革新。
酶催化的优化
酶作为生物体内的催化剂，加速了生命过程中的化学反应，对维持生命至关重要。生物化学领域面临的一个主要挑战，就是充分理解酶如何实现其卓越的催化效率。量子生物学通过
揭示量子隧穿现象在酶催化中的作用
，为我们提供了一种可能的解释。
最新研究表明，在酶催化反应中，质子或电子等粒子可能会通过量子隧穿来穿越能量屏障，从而显著加快反应速率。这种量子效应可能是酶催化过程中观察到的快速而有效反应的关键。例如，一项发表在《Biochemistry》上的研究揭示了量子隧穿在酶活性中可能比我们之前认为的更为普遍。科学家们研究了醇脱氢酶，发现在催化过程中氢原子的量子隧穿显著加速了反应。
这一发现对
药物开发
具有重大意义，表明通过关注量子隧穿途径，我们可能会开发出更有效的治疗方案。通过深入研究酶内的量子隧穿途径，研究人员可以设计出更有效且副作用更少的药物。这种方法有望在治疗那些酶功能至关重要的疾病方面取得突破，如癌症、阿尔茨海默病以及其他代谢性疾病。
量子生物学的挑战
首先，生物系统的复杂性是一个主要障碍。
与物理实验中精心控制的环境相比，生物系统通常更为混乱和复杂
，这使得研究和分离量子效应变得困难。此外，量子生物学的跨学科特性要求物理学家、生物学家、化学家和计算机科学家等不同领域的专家进行合作。由于这些领域在术语、方法和研究重点上存在差异，因此实现有效的跨学科合作本身就是一项挑战。
此外，因为挑战了一些长期存在的生物学假设，量子生物学还面临着科学界的怀疑。对此，研究人员
需要收集更多的实验证据
，并开发出能够更精确地检测和测量生物系统中量子效应的新技术。
相互促进的未来
自然界中的生物现象也为我们提供了对量子计算更深入的见解。例如，一项发表在《欧洲物理杂志·特别主题》
（
The European Physical Journal Special Topics）上的研究揭示了鸟类如何利用量子纠缠来感知地球磁场，从而实现导航。研究人员发现，某些鸟类视网膜中的特定蛋白质能够在常温下维持量子纠缠状态，使鸟类能够“感应”到磁场。这一发现在为我们理解鸟类迁徙的机制提供新视角的同时，也为
开发新型量子传感器
提供了可能。
图：《动物导航的物理学》
来源：
The European Physical Journal Special Topics
此外，生物系统，如植物中的光合复合体，已经进化出了在量子层面上处理信息的高效机制。
量子计算机的算法和架构也可以从生物系统的量子效应中获得灵感
。例如，光合作用中的量子相干性可以启发我们开发出更高效的量子信息处理策略。通过这些策略，量子计算机可以更有效地处理和分析数据，从而在科学研究和工业应用中发挥关键作用。
参考链接
[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aaz4888
[2]https://www.imrpress.com/journal/JIN/19/4/10.31083/j.jin.2020.04.393
[3]https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-2795-7_21
[4]https://fcs.wum.edu.pk/index.php/ojs/article/view/75
[5]https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3431234
