候鳥的量子力學：自旋、糾纏態與地磁導航_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-08-03 10:43
文章概覽：我們從初中的歷史課上就知道一件事：指南針是中國古代的四大發明之一。指南針的發明和傳播對文明的發展產生了很大的影響，讓航海時代和世界範圍的交流成為可能。但是在科技高度發達的現代社會，指南針在人類世界中已沒有了用武之地，導航和定位都是通過衞星來實現的，即使是手機上的“指南針”APP，其原理也換成了“霍爾效應”。但是對於動物來説，特別是每年要往返數千公里南北遷徙的候鳥，它們在沒有科學技術輔助的情況下，是怎樣進行導航的呢？近幾十年的科學研究揭示了候鳥導航的“關鍵零件”和原理——隱花色素4的自旋單態和自旋三重態對磁場的敏感依賴。本文將對這一原理進行簡要的介紹。
撰文 | 若平
01 地磁場
地磁場是指地球內部存在的天然磁性現象。地球可視為一個磁偶極，其中磁南極在地理北極附近，而磁北極在地理南極附近。通過這兩個磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉軸大約成11.3度的傾斜。地磁場的強度大約在25到65微特斯拉，而一個冰箱貼的磁場強度就接近10000微特斯拉，可見地磁場是比較微弱的。過去科學家們很難相信這麼微弱的磁場能夠對生物反應產生影響。但是近幾十年持續不斷的研究表明，候鳥可以感應到地磁場，並通過地磁場來進行導航。
02 隱花色素
隱花色素，或者稱為CRY蛋白，是一類廣泛分佈於真核細胞生物的光受體蛋白。隱花色素最早在植物體內發現，參與了植物一系列需要吸收短波長光的生理活動，後來的研究又在果蠅、小鼠、鳥類、甚至人體中發現了這種蛋白質。在動物體內，隱花色素主要集中在視網膜上，參與了生物的一系列光調控反應。2000年，美國伊利諾伊大學的克勞斯·舒特恩（Klaus Schulten）教授提出了一個新的非常吸引人的理論——鳥類利用隱花色素感應地磁場的方向。
隱花色素的內部結合了一個FAD分子，這個分子是CRY蛋白感光的重要原因，被稱為隱花色素的“心臟”。FAD分子可以在吸收一個光子之後，進入激發態FAD*。隨後，與FAD相近的四個色氨酸(TrpH)發生連續的電子轉移反應(圖2.(a))，電子被FAD*吸收形成FAD*-，而色氨酸則形成帶正電的TrpH+。FAD*-與TrpH+有兩種不同的自旋狀態，而這兩種自旋狀態之間的轉換速率依賴於外界磁場。正是這一特性使得候鳥可以利用隱花色素感應到地磁場的方向。
當候鳥沿着不同的方向水平飛行時，地磁場的方向與候鳥眼睛接受光線的方向有不同的夾角，這個夾角的大小會影響FAD*-與TrpH+兩種不同的自旋狀態的轉換速率，因此在不同的方向上，候鳥眼中的明暗條紋是不同的。
03 候鳥的量子力學
生命體內的反應過程需要量子力學嗎？
這是長久以來科學家企圖弄明白的問題。有一點是確定的：分子的化學反應過程中存在很多量子過程，但是由於反應環境複雜多變，任何量子態都會被迅速的平均化，最終量子過程的影響也會被平均掉。因此，似乎生命的進化和繁衍的過程不需要量子力學來運作：生命是經典的。
但是經過半個世紀左右的時間，從假設提出到實驗驗證，科學家們終於找充分的證據表明候鳥對地磁場的感應是一個基於量子力學的生化過程。
讓我們從量子力學的角度來看一下候鳥的“指南針”。
首先你需要知道自旋的概念。
“自旋”這一概念最早是通過一系列實驗建立起來的，例如著名的“斯特恩-蓋拉赫”實驗。實驗結果顯示，電子應該具有一種可以與磁場相互作用的內稟角動量，因其性質與經典角動量相似，所以取名為“自旋”。但是這並不意味着電子真的在旋轉，我們無法從經典的角度來理解自旋。目前的理論和實驗都沒有發現電子的半徑下限，因此電子是被當作點粒子來對待的。自旋的取值是量子化的——只能取整數或者半整數，自旋是一個矢量，當我們沿某一個方向測量這個矢量的投影時，測量值也是量子化的。
如圖4所示，電子的自旋是1/2，其投影有兩個取值，分別是+1/2和-1/2。圖中的旋轉箭頭只是為了表示自旋角動量的方向，並不代表電子在旋轉。
根據泡利不相容原理，兩個電子不能處在同一個狀態上，因此原子核周圍的電子一般都是成對分佈的，一個原子軌道上可以容納兩個電子，一個自旋向上，一個自旋向下。這兩個電子的自旋取向不能相同，處在一種關聯的狀態，也就是我們通常所説的量子糾纏態。
我們前面提到，FAD在受到光照之後，會從色氨酸上奪取一個電子形成FAD*-,而原來的色氨酸則會形成TrpH+。FAD奪過來的電子本來在TrpH中是與另一個電子成對存在的，被奪過來之後，這兩個電子在短時間內依然處於糾纏態！但是由於兩個電子已經不在同一個軌道上了，不會受到泡利不相容原理的限制，其自旋取向可以相同也可以相反。自旋取向相反，就構成了自旋單態，自旋取向相同則構成自旋三重態。也就是説，FAD*-與TrpH+處於自旋單態或者自旋三重態，這兩種狀態之間的轉換速率會受到磁場的影響。
如圖6中所示，A代表色氨酸，B代表FAD。自旋單態[A+ B-]可以分解回A和B，也可以轉換成產物C，自旋三重態[A+ B-]則只能轉換成產物C，單態和三重態之間還可以相互轉化。而自旋會受到磁場的影響，自旋單態與自旋三重態之間的轉化依賴於磁場（磁場方向與候鳥飛行方向的夾角），這樣，在不同的磁場下，產物AB與產物C的比例是不一樣的，最終這種不一樣轉化為鳥兒視網膜上不同區域的視覺圖像的差別，因此在候鳥看來，不同的方向具有不同的條紋。我們可以説，候鳥直接看到了地磁場！候鳥視網膜上的隱花色素，就是引導候鳥每年南北往返而不會迷路的量子羅盤！
候鳥大概永遠不會像我們人類這樣幸運，進化出能夠理解物理規律的大腦。但是，量子力學——現代物理學的基石——會永遠默默地為它們指明回家的方向。
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13.
https://mp.weixin.qq.com/s/WsJt-TzBmpmAdQV3uox4Ng
本文經授權轉載自微信公眾號“中科院高能所”，編輯：劉銘。
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