飛鳥、愛情、量子力學（上）

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。

原載於作者博客；作者 Facebook page

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：

1. J. Al-Khalili and J. McFadden, Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology (Bantam Press, 2014).
2. 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.
3. L. Pollack, “Historical Series: Magnetic Sense of Birds”, University of Illinois at Urbana-Champaign.
4. W. Wiltschko, “The earth's magnetic field and bird orientation”, Trends in Neurosciences 3, 140 (1980).
5. W. Wiltschko and R. Wiltschko, “Magnetic Compass of European Robins”, Science 176, 62 (1972).