格雷厄姆·弗莱明坐在一张 L 形的实验台旁，占据的空间大约相当于两个停车位。他身边，几台现成的激光器发出持续时间仅为十亿分之一秒的光脉冲。经过锯齿状镜片和透镜的蜿蜒路径后，这些微小的闪光消失在一个冒着烟的黑匣子里，里面装着来自绿色硫细菌的蛋白质。这些细菌通常从太阳获取能量和营养。在这个黑匣子里，制造精度达到纳米级的光学器件检测到了一些非同寻常的现象：在细菌蛋白质内部，跃动的电子似乎能进行不可能的跳跃，并同时存在于多个地方。
通过深入研究这些蛋白质，弗莱明及其在加州大学伯克利分校和圣路易斯华盛顿大学的同事们发现了光合作用关键步骤的驱动引擎。光合作用是植物和一些微生物将水、二氧化碳和阳光转化为氧气和碳水化合物的过程。它将能量转换的效率远远高于人类设计的任何设备，这一级联过程驱动着地球上几乎所有的生命。值得注意的是，光合作用之所以能获得惊人的效率，并非源于我们熟悉的支配可见世界的物理定律，而是源于量子力学——亚原子世界的物理学——看似奇异的规则。不知何故，在每一种绿色植物或光合细菌中，物理学的这两个截然不同的领域不仅相遇，而且和谐地融合在一起。欢迎来到量子生物学这个奇异的新世界。
表面上看，量子力学和生物学似乎毫不相关。生物学关注的是宏观层面的过程，从蛋白质和 DNA 之间的分子相互作用，到整个生物体的行为；而量子力学描述的是电子、质子、 μ 子和夸克——这些最小粒子的奇特性质。许多生物事件被认为是直接的，一个反应产生另一个反应，呈线性、可预测的方式。相比之下，量子力学是模糊的，因为在亚原子尺度上观察世界时，会发现粒子同时也是波：一个跃动的电子既是一个可触及的粒子，也是一种能量的振荡。（更大的物体也存在粒子和波的形态，但这种效应在宏观世界中并不明显。）
量子力学认为，任何给定的粒子都有可能处于一系列位置，并且在某种意义上，同时占据所有这些位置。物理学家用一个称为波函数的方程来描述量子实在，它反映了系统可能演变的各种方式。在科学家测量系统之前，粒子同时存在于多个位置。但在测量的那一刻，粒子必须“选择”一个单独的位置。这时，量子物理学家说，概率会缩小到单一结果，波函数会“坍缩”，在时空中引发确定性的涟漪。强加给一个粒子的确定性可能会改变它所连接的任何其他粒子的特性，即使这些粒子现在远在光年之外。（这种远距离影响的过程就是物理学家称之为“量子纠缠”。）就像多米诺骨牌一样，一个粒子的改变会影响下一个，依此类推。
这一切的含义令人难以置信。在宏观世界里，一个球不可能自发地越过一堵墙。但在量子世界里，一个生物分子中的电子可能会跳到另一个生物分子，即使经典物理定律认为这些电子被束缚得太紧而无法离开。这种跨越看似禁止的缝隙的现象被称为“量子隧穿”。
从量子隧穿到量子纠缠，量子领域的特殊性质使得事件以经典物理学无法达到的速度和效率展开。是否存在某些量子机制在驱动着生命中最优雅、最难以解释的过程？多年来，专家们一直对此表示怀疑：量子现象通常只在实验室环境中，在被冷却到接近绝对零度的真空室中才能显现。而生物系统则是温暖潮湿的。大多数研究人员认为，生命的“热噪声”会淹没任何可能出现的量子怪异现象。
然而，荷兰代尔夫特理工大学 Kavli 纳米科学研究所的研究员克里斯托弗·阿尔特曼表示，新的实验不断发现量子过程在生物系统中发挥作用。随着飞秒（10⁻¹⁵ 秒）激光和纳米精度定位等强大新工具的出现，生命的量子之舞终于得以展现。
步入光明
弗莱明及其合作者在生命科学领域取得了最重大的量子观测之一。他们对绿色硫细菌光合作用的研究发表于 2007 年的《自然》杂志，该研究追踪了植物利用阳光将其转化为我们呼吸的氧气和食用的碳水化合物的详细化学步骤。具体来说，该团队检查了连接细菌外部集光器（称为集光体）与细胞深处反应中心的蛋白质骨架。与能量传输损失高达 20% 的电线不同，这些细菌的能量传输效率高达 95% 甚至更高。
弗莱明及其同事发现，秘密就在于量子物理学。
为了揭示细菌的内部运作机制，研究人员用多个超快激光脉冲照射连接蛋白。在飞秒的时间跨度里，他们追踪了光能通过骨架到达能量转换发生的细胞反应中心。
然后，一项惊人的发现出现了：能量不是像经典物理学中所见的那样，从一个连接通道随机地移动到下一个，而是同时向多个方向传播。研究人员推测，只有当能量到达连接系列的末端时，才能追溯性地找到一条高效的路径。此时，量子过程坍缩，电子的能量沿着那条最有效的单一路径传播。
弗莱明说：“我们已经证明了这种量子随机游走真的存在。我们是否绝对证明了它提高了效率？还没有。但那是我们的推测。很多人也同意这一点。”
受此发现的鼓舞，研究人员正试图模仿自然界的量子能力，制造出接近光合作用效率的太阳能收集器。哈佛大学化学与化学生物学系助理教授 Alán Aspuru-Guzik 领导的一个团队正在研究如何将光合作用的量子原理融入有机光伏太阳能电池。这项研究仍处于早期阶段，但 Aspuru-Guzik 认为，弗莱明的研究将在制造廉价、高效的有机分子太阳能电池的竞赛中发挥作用。
量子隧穿与嗅觉
生物物理学家 Luca Turin 表示，量子物理学或许也能解释神秘的生物过程——嗅觉。Turin 于 1996 年首次发表了他颇具争议的假设，当时他还在伦敦大学学院任教。当时和现在一样，普遍的观点是，不同的气味感觉是由称为气味分子的物质通过它们在我们鼻腔内的受体中，像三维拼图碎片一样卡入到位而被触发的。对 Turin 来说，这里的问题是，形状相似的分子气味不一定相似。例如，蒎烯硫醇 [C10H18S] 具有强烈的葡萄柚味，而其近乎相同的衍生物蒎烯醇 [C10H18O] 却有松针味。他由此得出结论，气味一定是由除了气味分子形状之外的其他标准触发的。
Turin 提出，实际上发生的是，人类大约 350 种嗅觉受体在新的气味分子进入鼻腔并到达嗅觉神经时，会进行一次量子隧穿。当气味分子附着在神经的一个受体上后，来自该受体的电子会通过气味分子发生量子隧穿，使其来回摆动。按照这个观点，气味分子的独特振动模式决定了玫瑰闻起来像玫瑰，而湿狗闻起来像湿狗。
2007 年，Turin（现任香料设计公司 Flexitral 的首席技术官）的假设得到伦敦大学学院四位物理学家的论文支持。该论文发表在《物理评论快报》杂志上，阐述了气味隧穿过程可能如何运作。当气味分子靠近时，从受体一侧释放的电子会通过量子力学隧穿过气味分子到达受体的另一侧。暴露于这种电流，较重的蒎烯硫醇会与较轻但形状相似的蒎烯醇产生不同的振动。
合作者 A. Marshall Stoneham 教授（名誉物理学教授）称之为“刷卡模型”。“这张卡片必须有足够的形状才能刷过一个受体。”但决定分子气味的是振动频率，而不是形状。
绿茶派对
甚至绿茶也可能与微妙的亚原子过程有关。2007 年，巴塞罗那自治大学的四位生物化学家宣布，绿茶作为抗氧化剂（一种能中和可能损伤细胞的有害自由基的物质）的有效秘密也可能与量子力学有关。该小组在《美国化学学会杂志》上发表了他们的发现，报告说一种叫做儿茶素的抗氧化剂在人体内起着“拖网捕鱼”的作用。（儿茶素是茶、葡萄酒以及一些水果和蔬菜中的主要有机化合物。）
自由基分子是人体分解食物或环境毒素的副产品，它们有一个多余的电子。这个多余的电子使自由基具有反应性，因此在血液中循环时很危险。但是，儿茶素中的一个电子可以利用量子力学跨越缝隙隧穿到自由基上。瞬间，儿茶素就化学性地结合了自由基，阻止其与体内的细胞相互作用并造成损害。
量子隧穿也已在酶中观察到，酶是促进细胞内分子反应的蛋白质。2006 年发表在《科学》杂志上的一项研究和 2007 年发表在《生物物理学杂志》上的一项研究发现，一些酶似乎缺乏完成它们最终驱动的反应所需的能量；现在看来，酶的成功只能通过量子机制来解释。
量子核心
亚利桑那大学意识研究中心主任、麻醉师 Stuart Hameroff 认为，生命最高的功能——意识——很可能也是一种量子现象。他表示，麻醉剂就是说明这一点。麻醉下的患者大脑仍在积极运作，但没有意识在工作。是什么使氙气或氟烷等麻醉剂关闭了意识？
Hameroff 推测，麻醉剂“中断了大脑神经元内一种精密的量子过程”。每个神经元包含数百个长圆柱形蛋白质结构，称为微管，它们充当脚手架。Hameroff 说，麻醉剂溶解在微管内微小的油性区域，影响了这些区域内某些电子的行为。
他推测，这个过程是这样的：当某些关键电子位于一个“位置”，称之为“左边”时，微管的一部分会被压扁；当电子落到“右边”时，该部分会被拉长。但是，量子力学的定律允许电子同时处于“左边”和“右边”，因此微管可以同时处于拉长和压扁的状态。这个不断变化的系统中的每个部分都通过量子纠缠等方式影响着其他部分，从而导致动态的量子力学之舞。
Hameroff 说，正是在这种超光速的亚原子通信中，意识得以诞生。麻醉剂会干扰这些跃动的电子，并在其量子力学核心处阻止这种旋转；这就是它们能够关闭意识的方式。
从 Hameroff 的假设性（且未经实验证实）的量子神经元到有知觉、有意识的人类大脑，还有很长的路要走。但 Hameroff 认为，许多人类体验，从梦境到潜意识情绪再到模糊的记忆，似乎比经典物理学所暗示的清晰明了的现实，更接近于支配量子世界的“爱丽丝梦游仙境”的规则。在你的大脑中的每个神经元中发现一个量子入口，可能是穿过“镜子”的终极旅程。
