飛鳥、愛情、量子力學(上)
Everest2015/7/9 — 10:01
上一篇文章提到,統御微觀世界的量子力學,其實跟宏觀的生命息息相關。讓我們訪問近年頗受關注的量子生物系統候選「人」:知更鳥 (European robin) 。牠能感應地球的磁場,令每年秋季遠飛避寒的時候,都能找到溫暖的南方。牠是怎樣做到的呢?
(E: Everest, R: robin)
E: 謝謝你在大熱天時接受訪問。各位讀者想要知道是…
R: 吱,幾千百萬年的演化給予的秘密能力,不可能就這樣告訴你們人類吧?我還是給你一些線索,讓你自己去想想吧。
在 1963-65 年,有一個叫 Wolfgang Wiltschko 的年輕人在德國歌德大學當博士生。他把正在遷徙的知更鳥關進籠裡面,並把會產生磁場的電線圈繞到籠上;籠的設計隔絕了地球的磁場。在電線圈啟動後,我的同類變得非常焦躁,並聚集在根據人工磁場而判定的(錯誤)遷徙方向。這是人類科學界第一次用實驗顯示我們能夠感應磁場1。
吱,這個年輕人真厲害。做出成果的三年後,他就遇到了在同一所大學讀一年級的 Roswitha,兩人很快就結婚了。在 1972 年,夫妻兩人聯名在《Science》期刊發表論文5 ,展示了知更鳥如何感應磁場相對地平面的傾斜度。吱吱,我們其實不懂得分辨南北。他們兩人倒轉了籠裡面的磁場,我的同類都沒有察覺到,在春天遷徙時只懂得向磁極飛(也就是嘗試離開赤道)4, 5。
E: 啊,對了!地球的磁場其實跟條形磁鐵的有點相似(見圖一):在赤道大概跟地面平行,而在南北極就直插向地面。知更鳥就是透過磁場傾斜度,來判斷身處的緯度吧。據地質學家研究,磁場南北的方向在過去倒調過幾次;不依靠磁場方向導航的動物,其實有進化上的優勢呢4。
R: 非常正確,看來人類的悟性還是有希望的啊 !
不過, Wiltschko 的同行還是對結果將信將疑。畢竟,地球的磁場實在是太弱了,能否在動物體內引起化學反應也是一個疑點。在 1974 年, Wiltschko 夫妻被著名的鳥學家 Steve Emlen 請到美國進行研究,對象是就是我住在北美洲的遠親:靛青鵐鳥 (indigo bunting) 。經過一年的努力,研究團隊在 1976 年發表學術論文,論證了鵐鳥也是利用磁場來決定遷徙方向的。從這年開始,Wiltschko 夫妻的研究漸漸被國際認可 3。
圖二:Wolfgang and Roswitha Wiltschko,白頭到老。來源:Harry Magnet
E: 與此同時,還有一個叫 Klaus Schulten 的人找到知更鳥磁場感應器官的運作機制吧?雖然科學界在七十年代後期已經普遍接受雀鳥能夠使用磁場導航,但沒有人知道牠們是怎樣做到的啊 …
R: Schulten 是找到其中一個可能性吧。在 1974 年,他得到哈佛大學的化學物理學博士學位,然後意氣風發地回到德國,在頂尖的馬克斯·普朗克研究所任職。 Schulten 對涉及自由基的化學反應很感興趣:平常穩定的分子的電子都是成雙成對的,不過自由基卻有一粒單獨的電子。這令到自由基非常不穩定;它總是想搶走別人的電子——也就是說將對方氧化,發生化學反應。
E: 也怪不得有些人類會把自由基當作破壞細胞和衰老的元兇了。
圖三:何謂自由基?來源:Wikimedia
R: 人類對公式化美麗的追求與我無關,吱吱。普朗克研究所的人員發現, fast triplet 自由基反應* 的產物生成率比預期的快。Schulten 的貢獻是,他意識到這個反應產生的兩粒自由基電子透過「量子糾纏 」牽連起來,因而反應的速率會受到外在磁場影響。鑑於知更鳥磁場感應的謎團已經聞名化學物理學界,Schulten 很自然地就作出了猜測:對磁場敏感的fast triplet 反應能否解答謎團呢?
分析過研究所實驗室得到的數據後, Schulten 跟研究生 Werner 等人在1978 年發布了成果 1:磁場對反應的影響雖小,但絕對是不可忽略的;知更鳥利用 fast triplet 反應感應磁場,也並非不可能的事。
E: 等等!量子糾纏到底是什麼呢?還有,一對糾纏電子涉及的化學反應又怎樣受外在磁場影響呢?
B: 時間已晚,我先簡單地回答你第一個問題吧。打個比喻 1:你輪流投擲兩粒公平的骰子,得到同一個特定數字的機率是 1/6 × 1/6 = 1/36 。擲骰子的結果根據機率有時一樣,有時又不同;兩粒骰子之間是沒有關聯的。
量子糾纏就不同了:兩顆骰子永遠都以同一個數字示人,令你不禁懷疑它們之間是否有某種協調機制。為了試驗這個想法,你把它們分開到十幾公里外。根據狹義相對論,資訊的傳輸速度不可能超越光速,所以分開了的骰子應該沒有時間「溝通」。不過,驚人的是,兩粒骰子依然堅持顯示同一個數字。用愛恩斯坦的話來說,經歷量子糾纏的骰子(電子)之間有「幽靈般的遙距相互作用 (spooky action at a distance) 」1。
(dead air)
如果你覺得這很不可思議的話,很抱歉。大自然的運作不一定要符合人類所謂的「常識」…
E: 咳咳,有人找到負責感應磁場的器官或是化學分子嗎?
B: Schulten 在 1978 年提出假說,不過到整整二十年後才找到配合假說的分子啦。那是一種叫 cryptochrome 的色素。無論如何,說了這麼多肚餓了,我吃晚餐去。吱,你也喜歡昆蟲嗎?(華麗轉身,準備飛走)
E: 不需要了,謝謝。那麼,讓我們總結一下訪談的內容吧:
在 1974 年,科學界普遍接受知更鳥能夠利用磁場進行導航。
知更鳥只能夠感應磁場相對地平面的傾斜度,而涉及的器官和化學機制依然是一個謎。
在同一時期,科學家觀測到 fast triplet自由基化學反應的速率受外在磁場影響。德國科學家 Klaus Schulten 推測,這可能就是知更鳥感應磁場的方法,不過直至 1998 年才有進一步的實據。
想知道 1998 年發生了什麼事?還請看下回分解。
注:
* 在大學讀過量子力學的各位,記得把兩粒自旋 -1/2 粒子當作一個系統的時候,會發生什麼事嗎?文章中的 triplet 就是意指總自旋為 1 的那三個組合。
參考資料 / 申延閱讀:
- J. Al-Khalili and J. McFadden, Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology (Bantam Press, 2014).
- K. Schulten, C. E. Swenberg, and A. Weller. “A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion”. Zeitschrift für Physikalische Chemie, NF111:1-5, 1978.
- L. Pollack, “Historical Series: Magnetic Sense of Birds”, University of Illinois at Urbana-Champaign.
- W. Wiltschko, “The earth's magnetic field and bird orientation”, Trends in Neurosciences 3, 140 (1980).
- W. Wiltschko and R. Wiltschko, “Magnetic Compass of European Robins”, Science 176, 62 (1972).