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生物体内有哪些量子效应？
你的狗无法通过量子隧穿穿过栅栏，你也不会看到你的猫表现出波浪般的特性。但物理学的有趣之处就在于，它不断地给我们带来惊喜、量子物理学开始出现在意想不到的地方；事实上，它正在动物、植物和我们自己的身体中发挥作用。
我们曾经认为，生物系统太热、太湿、太混乱，量子物理学在它们的工作中起不到任何作用。但现在看来，生命每天都在混乱的现实世界系统中运用量子力学性质：包括量子隧穿、波粒二象性，甚至是纠缠。
为了了解这一切是如何运作的，我们可以从我们自己的鼻子里开始。
人类的鼻子可以分辨出超过一万亿种气味。但嗅觉究竟是如何工作的？这仍然是一个谜。
当一种被称为气味剂的分子进入我们的鼻子时，它可以与受体结合。最初，主流理论认为，这些受体利用气味剂的形状来区分气味。所谓的锁和钥匙模型表明，当气味剂找到合适的受体时，它就会与受体相吻合，并引发一种特定的气味。但在测试时，锁和钥匙模型遇到了麻烦：即使气味分子的形状完全相同，受试者也能够区分两种气味。
一定有其他的过程在起作用。
另一个仍有争议的模型认为，我们的鼻子对气味分子内的振动很敏感。这些振动是在分子内的单个原子相互之间来回摆动时发生的，就像它们被装在小弹簧上一样。当气味剂进入受体后，其振动的能量会使电子以量子隧穿的方式进入受体的另一个位置。
形状和振动模型可以结合起来。在“刷卡模型(swipe card model)”中，我们的鼻子对气味剂的形状和振动都很敏感。
一个新的模型——“发光假说(luminescence hypothesis)”，则提出了另一个猜想：一旦电子通过隧穿进入受体中的一个新位置，它就会失去能量。该假说认为，在此过程中，电子会发出光子；我们的鼻子检测到这些光子，然后区分气味。有趣的是，这一假说的作者提出，它可能有助于解释为什么一些患有新冠的人会失去嗅觉。
每年，北极燕鸥都会踏上迁徙之路，绕行世界。它们从格陵兰岛到南极洲附近的威德尔海：9万公里的旅程，所有这些都没有得到谷歌地图的帮助，这意味着鸟类有一种不可思议的导航能力。尽管随着天气变化，它们可以找到正确的旅行方向，而且是在白天或晚上的任何时候。科学家们认为，这可能是因为鸟类能够感知地球的磁场，使它们能够精确地在地球上调整自己的位置。
这一工作原理似乎是这样的：通常情况下，两个电子可以占据一个轨道，一个自旋向上、一个自旋向下。但偶尔，一些东西（如一个高能量的光子）可以将一个电子从一个分子上打下来，再转移到另一个分子上。给出和接收的分子现在都是自由基，也就是说，在它们的一个轨道上有一个未配对的电子的分子。
自由基非常活跃，但更重要的是，当它们以这种方式产生时，它们会彼此纠缠在一起、形成所谓的自由基对；这些对在鸟类眼睛内被称为“隐色体”的蛋白质中产生。这种自由基对将在自旋对准或反对准彼此之间快速地来回摆动。自旋就是自旋角动量，它使分子具有磁矩。正因为如此，这些分子在每个对齐或不对齐状态下花费的时间对外部磁场非常敏感；事实上，正是因为如此敏感，才使得鸟类可以检测到比地球磁场强度低数千倍的微小变化。
量子力学也可能在进化中发挥作用。
DNA有四个碱基，称为A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）和T（胸腺嘧啶）。这些碱基的“形状”使得A总是与T结合，G与C结合。在复制过程中，一种酶从上到下 “解开”DNA链；这条解压缩的DNA的两边现在可以被构建成相同的DNA链，将A和C以及G和T相匹配。
碱基通过氢键固定，其中氢原子吸引带负电的分子——这有点像磁铁。这些键不是共享电子，而是静电地粘在一起。当DNA被解开时，偶尔氢核（质子）可以通过量子隧穿到达解开的DNA的另一侧。当这种情况发生时，它会产生一个同位素。同分异构体是一个分子的另一个版本，其化学式相同但形状不同，因此连接性也不同。
在复制过程中存活足够长的同分异构体可以导致错误的碱基相互配对。起初，人们认为同位素没有存活足够长的时间，无法贯穿整个复制过程。但最近，科学家发现它们可以通过DNA复制而存活，并导致突变；随着时间的推移，可能影响进化的进程。
利用光合作用的植物和细菌利用光的量子特性，利用量子相干性将太阳光转化为能量。
当阳光照射到植物时，叶子内的叶绿素分子会吸收特定颜色的光子，这些光子会激发叶绿素内的一个电子。然后，这种能量从叶绿素分子中转移到一个叫做“反应中心(reaction center)”的结构中，在那里它被转化为化学能量储存起来供植物使用。
但从叶绿素到反应中心的路径并不直接，也不容易找到。能量必须快速到达目的地，否则就会以热量的形式流失。为了缓解这一挑战，植物使用了一种叫做量子相干性的巧妙技巧。
电子不是走一条路并希望这是到达反应中心的途径，而是利用其波浪式的性质、一次走完所有可用的路径，每次都能找到反应中心。量子相干性与量子纠缠密切相关，后者也被证明能给植物带来效率上的提升。
参考链接：[1]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0055780[2]https://www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/humans-can-identify-more-1-trillion-smells[3]https://bigthink.com/life/quantum-physics-biology/
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