王大虎

王大虎: 量子力学在动物界的应用

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为了寻找食物,繁衍后代,很多鸟一年要迁徙几千到几万公里。科学家一直想弄明白鸟是如何倚靠地球电磁场定位的。这种量子辅助的磁感应可能广泛存在。不仅鸟类,许多动物(从鸟类到狐狸甚至可能包括人类)身上存在着磁场接收器,某些昆虫甚至植物都对磁场表现出了生理反应。例如,磁场可能也采用同X基机制一样的方式出现的磁场来缓和蓝光对开花植物阿拉伯芥生长的抑制作用。

虹鳟鱼在大海里畅游三年时间,虽然离家有300公里,但是它们依然能回到最初的孵化地。一般来说,虹鳟鱼跟随着溪流游弋,很少出现方向性的错误。科学家认为虹鳟鱼似乎是依赖地球磁场完成它们长距离旅程的。

 

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图030 小鱼体内的“大磁铁”(图片及参考资料来源:新华网,2012年07月11日,图片来源:H. Cadiou)

虹鳟鱼的磁场细胞中,磁性微粒紧邻细胞膜,而非细胞核。

现在,路德维希·马克西米利安,慕尼黑大学地球科学家Michael Winklhofer领衔的研究小组分离出了这种鱼体内的磁场细胞,这种磁场细胞所占的比例可能不到万分之一。为将磁场细胞分离出来,Winklhofer和同事们在显微镜下放置了悬浮的虹鳟鱼细胞,显微镜上也装置了磁铁。研究人员认为,这样一来,所有含有磁性的细胞将会慢慢围绕磁铁旋转。用这种方法,研究人员从虹鳟鱼的鼻部分离出了磁场细胞。在每个虹鳟鱼的嗅觉组织中,他们发现有1到4个细胞围绕旋转磁场转动,并且每个细胞中磁性微粒紧挨着细胞膜。每个细胞的磁力比研究人员预想的大上百倍。这说明,鱼类不仅有能力觉察基本方向,而且其对磁场强度的感知能力能给它们提供更为精确的经纬度信息。

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2013年9月,科学家发现了两种能发电并导航的鱼类。它们生活在巴西亚马孙河流域的“流动草地”,该水域有许多植物,新发现的新物种鱼类使用电流在浑浊的水中进行导航。这两种鱼类外型奇特,被称为钝头刀鱼。它们从尾部特殊的发电器官释放几百毫伏电脉冲,发电器官能够探测到电场中任何物体导致的电场扭曲,像蝙蝠和海豚进行回声定位导航,它们使用电子定位系统探测周围环境。

科学家猜测鸟的磁场感应器被X鸟视网膜上的光所激活,每个入射光子沉积的能量会制造一对X基——高度反应的分子,每个X基拥有一个未被配对的电子,每个未配对电子拥有一个内在的角动量—自旋,这个自旋的方向能被磁场重新定位。随着X基分开,一个X基上未配对的电子主要受到原子核附近磁场的影响,然而,另一个X基上未配对的电子则会远离原子核,只感受地球的磁场,磁场差异改变了两个具有不同化学反应能力的量子状态之间的X基对。剑桥大学的物理学家西蒙·本杰明表示:“有种想法认为,当系统处于一种状态而不是另一种状态时,某种化学物质在鸟类的视网膜细胞中被合成,其浓度反映了地球磁场的方向。2008年,科学家们进行了一个人工光化学反应,发现磁场影响了X基的寿命,从而证明了这种想法的合理性。”本杰明和同事之前认为,吸收单个光子会制造出的这两个未配对的电子以量子纠缠状态而存在,量子纠缠是量子相干的一种形式,在量子纠缠状态中,不管X基移动得多远,一个自旋方向同另一个自旋方向密切相关。量子纠缠状态在室温下通常非常脆弱,但是,科学家们推测,它至少能在鸟的指南针中持续几十微秒。

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2013年5月,奥地利和澳大利亚科学家David Keays等博士领导的小组发现,在鸟类的羽毛下似有一个内部导航系统,大多数动物的毛细胞参与听觉与平衡功能中,在鸟类的耳朵中有一种名为毛细胞,负责探测声音和重力的感觉神经元,每一个细胞都在同一个位置有一个单一的铁球。研究人员认为这种铁球非常类似于指南针,能够帮助鸟类了解方向、太阳的位置并且帮助它们找到路线。

美国贝勒医学院的吴乐清和戴维·迪克曼在美国《科学》周刊上发表文章,鸽子脑部的神经元为地球磁场方向编码,让这种鸟类拥有与生俱来的内置全球定位系统(GPS)。他们发现了鸽子的脑细胞是怎样记录了从地球磁场中感知到的详细导航信息。科学家将一些鸽子置于黑暗的环境下,并对它们的脑部进行监测,接着调高了磁场的强度,并对其范围、高度和其他变量进行调节。他们用基因标记来确定神经元被激活的时间点,而且把关注的重点放在用来处理此类信息的神经区域。最终,他们在鸽子的脑干部位确定了活动性大大提高的53个神经元。而且,这些脑细胞与相对应的人工磁场范围最为敏感。他们的发现揭示:鸽子脑部一种称为神经元的单细胞可以将磁场方位、强度和极性信息编制成密码。研究人员发现,当鸽子内耳中某一区域处于变化的磁场中时,这些脑部的神经元就会做出反应。那么信号从何而来?吴和迪克曼认为磁场信息通过内耳发送到神经元,不过喙部和视网膜接收器也有可能在其中发挥了作用。这就是鸽子神经系统的全球定位系统。有证据表明,这些神经元属于一个接收器网络,接收器可以发现并向脑部的其他部位发送有关地球磁场方位和强度的信息。他们猜测,脑部的其他区域把新收到的磁场数据与脑中的地球表面三维图像相对照,这让鸟类拥有惊人的导航能力。

不仅鸽子有“GPS定位系统”,科学家证实人类大脑也同样存在“内置GPS”。科学家早就发现,当老鼠处于一个特定的场所时,会激活海马中的位置神经细胞,不久后人类也被发现拥有这种细胞。2005年科学家们在老鼠体内发现了定位细胞,后来在蝙蝠和猴子体内也发现了定位细胞,这些定位细胞为位置细胞提供信息输入。2013年8月,科学家利用磁共振成像研究表明,定位细胞存在于人类体内,这次的研究证明了它们存在的确凿证据。这项研究的研究员,费城德雷塞尔大学的Joshua Jacobs说道:“定位细胞会告诉人们所处环境的位置,而在动物中这些细胞会为导航提供一种测量工具。”

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生命在极端环境下的表现,证明了量子领域参与了生命的保持与演化。在物质向生命演化过程中有很多的疑问,需要很多的问题来解释生命的诞生以及与物质的联系。

在我们生活着的地球,“生命无所不在”这一观点已一次次得到证实。无论是在温度极高的火山口附近,还是在南极洲异常寒冷的冰天雪地中,无论是在太空边缘,还是深在地下,科学家们都发现了生命的存在。人们也一直把目光投向地球之外的宇宙之中,去寻找那些“隐藏最深”的生命。

目前来说,科学家一直认为量子效应在生物X统内的作用是自然选择的结果,而事实上从生命诞生开始,量子就参与了生命的构成与运作。恰恰是量子本身的特性,使生命诞生及表达有了可能。人们必须从量子角度,在量子结构角度去理解生命。我们从生命的角度解读量子物质,从量子与生命的关系中,寻找几十亿年来,生命的物质基础的演化过程。

就生命本质来讲,生命本身就是量子的表达,从生命解读量子,不仅仅能够促进对生命的研究,也会推动物理学本身的发展。

量子力学里有很多现代物理学无法解释的现象,包括量子深层的本质及量子世界真正的组成。而量子超光速纠缠,量子历史求和等都表现出量子与传统物理学不一样的特性。研究发现,在双缝实验,时间延迟实验中,观察者的观察行为本身会影响量子的行为。在实验中电子,光子做出智慧一样的选择,量子表现神奇的智能化一面。而现代对于生物的研究,也说明了量子参与了生命的构成,能量的吸收与生命的运作。任何物质,生物,细胞以及细胞里的有机物质本质正是有多量子聚合而来的。

 

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