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      蝴蝶遷徙背后的量子秘密

      2016-10-12 12:23:29
      IT經(jīng)理世界 2016年19期
      關(guān)鍵詞:花色素帝王量子

      鄭渝川

      量子理論刷新了現(xiàn)代自然科學(xué)諸多學(xué)科的進(jìn)展,也極大的擴(kuò)充了研究視野,也有助于人們用科學(xué)的方法去理解在過去被理解為神秘主義的現(xiàn)象、不可知的事物。

      帝王蝶每年9~11月,會(huì)從加拿大東南部及美國中北部,朝著西南方向開始長(zhǎng)達(dá)3000多公里的飛行遷徙。這是一個(gè)壯觀的飛行旅程,帝王蝶途中會(huì)經(jīng)過沙漠、大草原、田野、山林以及一大片的淡水河谷,最后到達(dá)墨西哥中部山區(qū),選擇幾座高山的山頂作為自己過冬的棲息地。來年的春天,帝王蝶又會(huì)開始北歸,沿著頭一年秋天的相反方向,回到北方。

      帝王蝶的生命很短,事實(shí)上,沒有一只帝王蝶可以完整地經(jīng)歷南遷及北歸。帝王蝶會(huì)在遷徙中繁殖,夏天出現(xiàn)在加拿大的帝王蝶,跟冬天墨西哥高山上的帝王蝶,以及來年夏天的帝王蝶,并不是同一批,往后的批次是之前一代蝴蝶的子孫。

      為什么帝王蝶能夠精確地遵循著父輩的腳步,一代接著一代的在千里之外之間來回遷徙?這個(gè)問題讓科學(xué)家疑惑并感到興奮。經(jīng)過長(zhǎng)期的跟蹤研究,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),與其他許多遷徙動(dòng)物一樣,蝴蝶利用視覺、嗅覺、太陽羅盤等多種感官進(jìn)行導(dǎo)航,其體內(nèi)遵循著接近24小時(shí)的生物節(jié)律(生物鐘)。蝴蝶在白天的遷徙中會(huì)根據(jù)生物鐘并參照太陽的位置來修正前進(jìn)的方向。

      遺傳學(xué)家將與蝴蝶具有諸多相似特點(diǎn)的果蠅作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn),果蠅變異種中的變異出現(xiàn)在編碼某種眼內(nèi)蛋白的基因上,這種蛋白即隱花色素。果蠅變種缺乏隱花色素,因而失去了感知生物鐘的能力。類似的隱花色素陸續(xù)在包括人類以及其他動(dòng)物的眼中發(fā)現(xiàn),甚至一些更小的植物、光合微生物中也存在。

      帝王蝶的觸角中也有隱花色素??茖W(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),帝王蝶觸角中的這種物質(zhì),使之能夠感知地球的磁場(chǎng)。正如人類歷史上不同時(shí)代的航海冒險(xiǎn)家,總是借助地球磁場(chǎng)進(jìn)行探索一樣,在更為久遠(yuǎn)的時(shí)間里,包括鳥類、昆蟲、哺乳動(dòng)物、魚類等許許多多生物,都進(jìn)化出了利用地磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航的能力。

      極其微小的生物,在遷徙中利用顯然非常微弱的地球磁場(chǎng)辨別前行方向,這個(gè)發(fā)現(xiàn)令人震驚,科學(xué)界也是在多年后才接受這樣的結(jié)論。微小的磁場(chǎng)作用,在極其精細(xì)的生物平衡系統(tǒng)之中,可以起到?jīng)Q定性作用。20世紀(jì)末至本世紀(jì)頭10年,來自不同國家的物理學(xué)家、生物學(xué)家都在試圖揭示地球磁場(chǎng)定位及其因此帶來的生物化學(xué)反應(yīng)的奧秘。一連串的實(shí)驗(yàn)表明,鳥類導(dǎo)航的能力會(huì)被強(qiáng)度僅為地球磁場(chǎng)數(shù)千分之一的極度微弱磁場(chǎng)所干擾,而多種水生動(dòng)物、蜜蜂、微生物的磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)也在高頻開展之中。

      一個(gè)明顯的事實(shí)是,磁感應(yīng)能力及其機(jī)制的廣泛分布表明這種能力源自不同生物的共同祖先,經(jīng)由遺傳而來。遺傳信息準(zhǔn)確地自我復(fù)制,是生命延續(xù)的根本動(dòng)力,而在這其中極個(gè)別信息出現(xiàn)變異,就導(dǎo)致物種出現(xiàn)進(jìn)化。生物學(xué)與量子力學(xué)就這樣發(fā)生了重要的交集。

      英國最為有名的量子生物學(xué)家、薩里大學(xué)物理學(xué)教授吉姆·艾爾—哈利利與另一位量子生物學(xué)家、薩里大學(xué)分子遺傳學(xué)教授約翰喬·麥克法登合著的《神秘的量子生命:量子生物學(xué)時(shí)代的到來》,向讀者引介了正在從全新角度揭示生命奧秘的量子生物學(xué)的發(fā)展歷程。

      量子力學(xué)在牛頓力學(xué)、熱力學(xué)基礎(chǔ)上,深化并重新塑造了物理學(xué)。德國物理學(xué)家馬克斯·普蘭克因追尋黑體輻射之謎,發(fā)現(xiàn)了能量以“量子”的離散團(tuán)塊傳遞,引導(dǎo)了量子理論誕生。這一全新領(lǐng)域、理論,刷新了現(xiàn)代自然科學(xué)諸多學(xué)科的進(jìn)展,也極大的擴(kuò)充了研究視野,也有助于人們用科學(xué)的方法去理解在過去被理解為神秘主義的現(xiàn)象、不可知的事物。量子的波粒二象性,直接賦予了量子隧穿的可能,還使得疊加態(tài)的現(xiàn)象出現(xiàn),解釋了電子、質(zhì)子與中子拼合和拆離的秘密。當(dāng)然,量子的諸多有悖于常識(shí)、常理的特異性,是因?yàn)闃?gòu)成非生命物體的分子持續(xù)向各個(gè)方向隨機(jī)運(yùn)動(dòng),因而被抵消了。

      書中回顧了近代以來物理學(xué)和生物科學(xué)的發(fā)展歷史,聚集于“生命是什么”這一核心命題,就薛定諤所說的“生命正是一種能在空中飛翔、能用兩足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤里生長(zhǎng)……的量子現(xiàn)象”展開敘述。薛定諤的判斷被一代代物理學(xué)家和生物學(xué)家不斷否定,又在獲得新的成果后,重新納入研究視野。光合作用過程中的量子現(xiàn)象,人類及其他動(dòng)物的感官反應(yīng)背后所聯(lián)系的量子計(jì)算,等等,這些常見現(xiàn)象背后都隱藏著令人叫絕的量子反應(yīng)。

      從細(xì)胞的研究到基因研究,科學(xué)家不斷拓展生物學(xué)研究視閾,一個(gè)重要的假設(shè)在后來獲得證實(shí),即生命的遺傳密碼其實(shí)就是量子密碼,遺傳配置過程及極個(gè)別的變異,也遵循量子定律。對(duì)酶的研究揭示了量子隧穿現(xiàn)象,也說明量子現(xiàn)象完全可以發(fā)生在活細(xì)胞中熱、濕、亂的環(huán)境下?!懊缚梢跃_操縱基本粒子的運(yùn)動(dòng),并能借此深入到量子世界中利用其奇異的法則”,這是酶具備催化能力的關(guān)鍵。

      全書第七章談到了人類心智之謎。人類能否界定為精密的量子計(jì)算機(jī)?神經(jīng)科學(xué)家的這個(gè)判斷曾引發(fā)無數(shù)爭(zhēng)議,的確,哪怕將數(shù)十億臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),也無法產(chǎn)生意識(shí),更不要說與一個(gè)人大腦中千億級(jí)別的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力相比。但最早提出這方面判斷的牛津大學(xué)數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯的判斷,近年來獲得了越來越多科學(xué)同行的支持。量子計(jì)算機(jī)依照量子位計(jì)算,計(jì)算能力以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。羅杰·彭羅斯還曾推出專著,宣稱大腦中神經(jīng)元中的微管蛋白與其他神經(jīng)元中的微管蛋白維持著所謂的量子糾纏——如果這個(gè)判斷成立,大腦中海量的神經(jīng)元之間的聯(lián)系就完全得以證實(shí),獨(dú)立的每條神經(jīng)所包含信息就可能以這種方式整合起來,大腦就可以稱之為原理神秘但是異常強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。

      隨著量子生物學(xué)的發(fā)展,相信包括人類心智意識(shí)的秘密在內(nèi)的諸多懸念,都將一一宣告終結(jié)。未來,人類很有可能依照量子理論創(chuàng)造生命體,改進(jìn)人體在內(nèi)的生物體,讓世界的生命形態(tài)變得更加完善和美好。

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