生命裡的物理奧祕

生命裡的物理奧祕
知識通訊評論第105期

存在於物質微小尺度的量子效應，似乎與巨觀的生物風馬牛不相及。但是近來一些研究發現，在生物世界中存在著某種量子效應，這使得科學家想到，可以師法生物自然原理，來了解量子世界的奧祕。

南芥

從表面上看起來，量子效應跟生物有機體，這兩者似乎風馬牛不相及。量子效應通常只有在極小的奈米尺度才看得到，還要加上強力真空、超低溫、以及嚴密控管下的實驗室環境。生物有機體則居住在一個宏觀尺度的世界，那裡溫暖、混亂、什麼事情都不能控制。像是「同調性」這種一個系統裡每一部份波動模式，都保持一致的量子現象，在喧囂不已的細胞世界裡，維持不了百萬分之一秒鐘。

細胞世界

大家都這樣認為，但是近年來的研究發現，大自然知道一些物理學家不知道的奧祕：在大自然的世界裡，同調的量子過程可能根本俯拾即是。鳥類可以利用地球磁場導航，以及植物與細菌將陽光、二氧化碳與水分，轉化成有機物質光合作用的內在運作機制，這種認為是地球上最重要的生化反應，都是已知可能帶有同調性的例子。

美國麻省理工學院物理學家洛依德 (Seth Lloyd) 表示，生物學向來是什麼好用就用什麼，如果量子這套行得通，那又何樂而不為。有些研究者甚至已經開始談論一門稱為「量子生物學」的新學門，他們認為量子效應即使罕見，也是一種大自然運作的重要機制。實驗室裡想要弄出實用技術的物理學家，對此也頗為矚目。

洛依德說，他們很希望從這些生物系統巧妙運用量子的方式裡借鏡，倘若能夠對生物有機體如何維持量子效應多有瞭解，就可有助於研究者達到難以捉摸的量子運算目標，也許就能據此做出效能較佳的儲能裝置，或是有機太陽能電池之類的東西。

能源探路

研究者一直在懷疑，光合作用裡頭事有蹊蹺。光的粒子稱為光子，從太陽串流射下，隨機抵達擠滿每一片葉子細胞，充斥於每個光合細菌體內的葉綠素分子，以及其他吸收光線的「天線」色素。但是光子的能量一旦存了進去，就不再維持隨機，不知何故地被導入穩定流中，傳向細胞的光合作用中心，然後就能夠以最高效率，將二氧化碳轉化成糖份。

科學家在一九三○年代，就已經知道這段過程必須要用量子力學來加以解釋。在量子力學裡，電子之類的粒子行為經常會像波動。撞擊到天線分子的光子，會像水坑上打水漂的石頭一樣，引發充能電子的漣漪，也就是激子。這些激子接著會一個個穿過分子，直到抵達反應中心為止。但是他們行進的路線是否如同研究者起先假設的那樣，是隨機而未經導引的跳躍呢？抑或其運動更有組織性？現代有些研究者指出，激子可能是同調的，其波動在保持一致時，會延展到超過一個分子，還會彼此增強。

「大自然知道一些物理學家不知道的奧祕。」

洛依德 (Seth Lloyd)

倘若如此，就會得出一個驚人的結論。同調的量子波可以同時以兩種以上的狀態存在，因此同調的激子就能夠以兩條以上的路徑，馬上穿透層層的天線分子。事實上，它們能夠同時探索一大堆可能的選項，自動選擇最有效率的路徑，抵達反應中心。

四年前有兩組研究團隊，在美國加州大學柏克萊分校化學家富萊明 (Graham Fleming) 領導下，取得支持這項假設的實驗證據。其中一隻團隊利用一串非常短的雷射脈衝，探測綠硫菌的光合器官。研究者必須用液態氮，把樣本降溫到絕對溫度七十七度，不過他們從雷射探測器獲得的資料，確實顯示出激子狀態同調的清楚證據。第二支研究團隊則對紫色光合菌進行類似研究，發現同樣的電子同調現象，在絕對溫度達一百八十度時，就會進行運作。

第一支研究團隊在二○一○年發表證據，指出他們在室溫下的細菌複合體，出現量子同調性。這表示同調性並不僅只是實驗室低溫環境下的產物，對於現實世界的光合作用，可能也很重要。大約同一時間，加拿大多倫多大學化學家史柯勒斯 (Gregory Scholes) 領導的研究團隊，也報告說在室溫下發現同調效應，這回不是細菌，而是光合隱芽藻類。這是一種在演化上相當獨特的生物，與動植物的關係比細菌更為貼近，使用截然不同的吸光化學基。

然而量子同調性是怎麼持續得夠久，而能夠在光合作用裡產生作用的呢？大多數的物理學家認為，室溫下細胞周圍的分子混亂情況，幾乎是馬上就會摧毀同調性。

洛依德和其同事進行電腦模擬，發現了可能的答案：存在環境中的隨機干擾因子，非但不會降低、反而可以提升光合作用中能源傳輸的效率。模擬結果顯示，有時激子會被卡在光合鏈的某個階段，但透過環境干擾因子的緩和震動作用，可以讓受困激子掙脫，又不致破壞原有的同調性。洛依德認為，事實上，環境提供了激子的活動自由度，讓其可以達到目的地。

光合作用並非自然界中的唯一量子效應例子。例如好幾年前研究人員就已發現，在一些酶催化反應中，質子在分子間移動係藉由量子穿隧效應，讓粒子穿透位勢障壁，無須集中能量以攀越障壁。另有一倍受爭議的「嗅覺理論」，宣稱味覺來自分子震動的生化感應，就是在負責氣味的分子與鼻腔內受體間的一種電子穿隧過程。

然而，這些例子是否足以支持一個全新學科的成立？聖路易的華盛頓大學光合作用研究學者布蘭肯士普(Robert Blankenship)，在其與富萊明共同發表的一篇有關綠硫细菌的論文中，提出了相關疑慮。他表示，他們覺得或許在有些已知的案例中，這樣的效應相當重要，但是在其他許多案例中，生物系統不會像這樣運用量子效應。但史柯勒斯相信，只要對量子生物學給予適當的寬廣定義，就可以新學科的誕生有樂觀預期。他表示，「我真的相信在生物學領域中會找到其他案例，也可以藉由量子機制的了解，來幫助我們更進一步認識生物運作的過程」。

鳥瞰羅盤

長久以來人們一直無法了解，為何某些鳥類可透過地球磁場的感應，做為飛行導航，現在，或許可藉由新奇量子效應，解開這個迷團。

據了解，光打到鳥的視網膜上時，會啟動鳥類擁有的磁場感應機制。研究人員根據目前資料，猜測其運作方式應該是每個進來的光子，會創造出一對自由基，即具高度反應性的分子，每一個自由基均含有一不成對電子。每一這樣不成對的電子，均具有內在角動量，或稱之為自旋，可以隨磁場而改變方向。當這對自由基互相分離時，位在其中一個自由基上的不成對電子，主要會受到鄰近原子核磁場的影響，另一個不成對電子則由於遠離原子核，因此只會受地球磁場的影響。感應磁場的不同，讓這對自由基在兩種量子狀態中游移，因而產生不同的化學反應。

牛津大學物理學家班傑明(Simon Benjamin)表示，一種可能的推論是，當運作系統處於其中一種量子狀態下，鳥類的視網膜細胞，會合成某種化學物質，但在另一種量子狀態下卻不會。「化學物質的反應，顯示了地球磁場的方向定位」。在二○○八年進行的一次人造光合化學反應試驗中，證實了這個推論結果的可能性，磁場始終影響著成對自由基的活動。

「這提供我們追求如何創造量子科技的一些線索」。

班傑明及其同事認為，經由吸收一個單一光子，創造出來的兩個不成對電子，是處於量子糾纏狀態，也就是一個粒子一旦與另一粒子有了關係，以後不論它逃到天涯海角，這關係再也擺脫不掉。量子糾纏很容易受到周圍溫度變化的影響，但研究人員計算出，對鳥類的飛行方向指引而言，量子糾纏至少可以持續十微秒之久，這比目前任何人造分子系統所能維持的時間，都要長許多。

此種靠量子運作的磁場感應機制，不只鳥類才有，一些昆蟲及植物，對於磁場均顯示出生理反應。例如，藍光抑制了開花植物擬南芥的生長，但可經由磁場對成對自由基活動的影響，予以調和。但為了獲得確有前述運作效果的證明，班哲明表示，對其中所涉基本分子，還需要進行透澈了解，並在實驗室中仔細研究。

選擇利益

光合作用

光合作用中的量子同調性，看起來對運用此機制的生物，相當有益。但是，生物利用量子效應的能力，是否會隨著物競天擇而演化？還是說，量子同調性，只是某些分子建構方式下，偶然產生的副作用？史柯勒斯認為，現階段很難確定正確答案是什麼，他表示，「針對這個演化問題，有許多的臆測及誤解。我們既無法辨別，光合作用中的此種效應是否為物競天擇的結果，也無法確認，不靠量子同調性是否就可以轉移電子能量。甚至連要說明這個演化問題，也找不到資料」。

班傑明指出，目前還無法釐清為何自然天擇會讓量子同調性勝出。他指出，幾乎所有行光合作用的生物，大部分的白天的時間會在調和光的收成，很少有捕不到光線的情形。因此，怎麼會有需要改變光收成效率的演化壓力呢？。針對此點，富萊明表示認同，他懷疑量子同調性的產生不是為適應改變，而是「為發揮最佳的陽光吸收效能，發色團(chromophore)因此密集堆疊後的副產品」。史柯勒斯則期望對不同時期演化的隱芽藻類物種，分離出來的天線蛋白質進行深入研究，以找出答案。

然而，富萊明也指出，就算生物體系的量子同調性只是一種偶發效應，它讓整個體系能量傳輸能夠不受到失序干擾，其後果影響重大；更厲害的是，量子同調性「能引發『類似整流器』效果的單程能量移轉、能產生最快速的『能量移轉』率、具有不受溫度變化影響的性質，而且可能還有一些其他沒想到的特點」。

這種種特點，意謂著實用價值。史柯勒斯認為，其中最重要的，是讓我們可以更了解生物體系如何在周遭環境中，達成量子同調性的運作，這將「改變我們設計光收成機制的思維」。此外，這些特點將有助於科學家發展出新科技，例如產出更高能量轉換效率的太陽能板，洛依德就相信這是「相當合理的預期」，尤其對於他所發現的環境干擾因子正面效果，充滿樂觀的看法，認為對於使用量子點(奈米尺寸晶體)、或其上密佈吸光化學集成體的高度支化聚合物，以做為人造天線陣列的材料，對於建造光電系統，相當有實用性。

另一個潛在應用領域是量子運算。物理學家及工程專家長久以來一直努力，試著要操控量子位元編碼資料，例如電子或原子核的上自旋或下自旋狀態。量子位元可以同時在兩種狀態中出現，因此我們可以同步探索其內建資料運算的所有可能答案。

理論上，這將讓量子電腦得以用比今日電腦要快上許多速度，找出最佳解答，但先決條件是量子位元必須能保持其前後穩定性，不被相鄰原子推擠等周遭環境因素所干擾，破壞了波的同步性。

但生物學其實已經用某種方式解決了這個問題：量子同調性讓光系統得以走「最佳路徑」進行量子運算。班哲明投入了許多心力設計材料系統的量子運算及資訊科技，他看到一個未來發展方向，就是利用環境溫度鳥類羅盤作為指引。他表示，「如果我們能找出鳥類羅盤如何破解影響同調性的負面因素，將提供我們追求如何創造量子科技的一些線索」。他說，向自然界學習，是和神話同樣悠久歷史的概念，只是直到今日，還沒有人想到自然世界的運作原理，可以教我們了解量子世界的奧秘。

[Box] 量子真實遇上了科幻

「你這片平凡無奇的葉子，能夠把能量從一個分子系統裡傳到另一個去，這種想法一點也不足為奇…你知道的，量子同調性是轉換效率的關鍵，系統會在同一時間馬上對所有的能源路徑取樣。只要奈米科技選了一條路徑走，我們就可以用正確的材料加以複製。」

量子幻像

這段文字取自麥克伊旺 (Ian McEwan) 二○一○年的小說《太陽》，以悲喜交歡的筆觸，描述一位物理學家畢爾德 (Michael Beard)，也是性號好漁色的諾貝爾獎得主，侵占他人用太陽能的方法將水切分成元素的想法。

在他先前一九九七年的小說《愛無可忍》以及二○○五年的《星期六》裡，就在散播科學概念的麥克伊旺說，他想要給予小說主角一種還在實驗室裡的科技。在做相關功課之時，碰巧看到美國加州大學柏克萊分校化學家富萊明的量子光合作用研究，正好是他所需要的。在英國劍橋大學物理學家密齊森 (Graeme Mitchison) 的協助下，麥克伊旺把這點子與想像中畢爾德的量子物理學研究工作契合。密齊森把出現在《太陽》附錄裡，畢爾德的諾貝爾得獎頌辭部份，進行反向工程解讀。他說畢爾德的理論指出，輻射與物質相互作用所發生的事件，在相對於原子來說是一個大的尺度中，是以同調傳送的。