曾经被认为对量子效应来说过于混乱的生物系统，可能正在悄悄地利用量子力学来比任何人造的东西更快地处理信息。

新的研究表明，这不仅发生在大脑中，而且发生在所有生命中，包括细菌和植物。

薛定谔的遗产激发了量子飞跃

80多年前，理论物理学家埃尔文·薛定谔（Erwin Schrödinger）在都柏林三一学院发表了一系列有影响力的公开演讲。这些谈话取材于现代物理学和哲学传统，如叔本华和奥义书，后来在1944年出版，书名为《什么是生命？》

现在，在2025年国际量子科学与技术年期间，菲利普·库里安 —— 华盛顿特区霍华德大学量子生物学实验室（QBL）的理论物理学家和创始主任 —— 已经建立了薛定谔的基本思想。

利用量子力学原理和最近的QBL发现，显示了细胞骨架细丝的量子光学特性，库里安提出了一个从根本上更新的地球历史上碳基生命的总信息处理能力上限。他发表在《科学进展》杂志上的研究结果也表明，这种生物极限与可观测宇宙中所有物质的计算极限之间可能存在联系。

库里安说：“这项工作将20世纪物理学的伟大支柱 —— 热力学、相对论和量子力学 —— 连接在一起，为整个生物科学的重大范式转变提供了线索，研究了在环境温度下湿软件中量子信息处理的可行性和意义。”“物理学家和宇宙学家应该努力应对这些发现，特别是当他们考虑地球上和可居住宇宙中其他地方的生命起源时，它们与电磁场一起进化。”

生命系统的量子挑战

量子力学的效应 —— 许多科学家认为只适用于小尺度的物理定律 —— 对干扰很敏感。这就是为什么量子计算机必须保持在比外太空更冷的温度下，而且只有原子和分子这样的小物体才会表现出量子特性。按照量子标准，生物系统是相当恶劣的环境：它们温暖而混乱，甚至它们的基本组成部分 —— 比如细胞 —— 也被认为很大。

但库里安的研究小组去年在水溶液中的蛋白质聚合物中发现了一种明显的量子效应，这种效应在这些具有挑战性的微米尺度条件下仍然存在，并且可能为大脑保护自己免受阿尔茨海默氏症和相关痴呆症等退行性疾病的侵害提供了一种方法。他们的研究结果为量子计算研究人员提供了新的应用和平台，并代表了一种思考生命与量子力学之间关系的新方式。

在他的《科学进展》论文中，库里安只考虑了三个重要的假设：标准量子力学、由光设定的相对论速度限制，以及物质主导的宇宙处于临界质量-能量密度。艾克斯-马赛大学和法国国家科学研究中心理论物理中心（法国）的Marco Pettini教授说：“结合这些相当无害的前提，在热平衡中普遍存在的生物结构中对单光子超辐射的显著实验证实，为量子光学、量子信息理论、凝聚态物理、宇宙学和生物物理学开辟了许多新的研究方向。”他与这项工作无关。

光速下的量子信号

实现这些非凡特性的关键分子是色氨酸，这是一种在许多蛋白质中发现的氨基酸，它吸收紫外线并以更长的波长重新发射。色氨酸的大网络形成于微管、淀粉样原纤维、跨膜受体、病毒衣壳、纤毛、中心粒、神经元和其他细胞复合体中。QBL对细胞骨架细丝中量子超辐射的证实具有深远的意义，即所有真核生物都可以使用这些量子信号来处理信息。

为了分解食物，进行有氧呼吸的细胞利用氧气并产生自由基，自由基会释放出具有破坏性的高能紫外线粒子。色氨酸可以吸收这种紫外线，并以较低的能量重新发射。而且，正如QBL研究发现的那样，由于强大的量子效应，非常大的色氨酸网络可以更有效、更稳定地做到这一点。

生物化学信号的标准模型涉及离子在细胞或膜上移动，在电化学过程中产生峰值，每个信号需要几毫秒。但神经科学和其他生物学研究人员直到最近才意识到，这并不是事情的全部。这些细胞骨架细丝的超发光大约发生在一皮秒 —— 百万分之一微秒。它们的色氨酸网络可以像量子光纤一样发挥作用，使真核细胞处理信息的速度比单独的化学过程快数十亿倍。

洛桑联邦理工学院（瑞士）和Elettra Sincrotrone Trieste（意大利）的Majed Chergui教授表示：“库里安的见解的影响是惊人的。”他们支持2024年的实验研究。“量子生物学，特别是我们在他的理论指导下对标准蛋白质光谱方法的超辐射特征的观察，有可能为从光物理学的角度理解生命系统的进化开辟新的前景。”

神经生命的力量

由于认为生物信息处理主要是在神经元层面进行的，许多科学家忽略了一个事实，即神经生物 —— 包括细菌、真菌和植物，它们构成了地球生物量的主体 —— 也在进行复杂的计算。由于这些生物在地球上存在的时间比动物长得多，它们构成了地球碳基计算的绝大部分。

“在星际介质和行星际小行星上有类似量子发射器的特征，这可能是真核生物计算优势的前兆，”亚利桑那大学行星科学和宇宙化学教授、亚利桑那天体生物学中心主任丹特·劳雷塔（Dante Lauretta）说，他没有参与这项工作。库里安的预测提供了定量的界限，超越了通俗的德雷克方程，关于超辐射生命系统如何增强行星计算能力。这种信号和信息处理方式的显著特性可能会改变可居住系外行星研究的游戏规则。”

生物学与量子技术相遇

这一最新分析同样引起了量子计算研究人员的注意，因为脆弱的量子效应在“嘈杂”环境中的生存对那些希望使量子信息技术更具弹性的人非常感兴趣。库里安与几位量子计算研究人员进行了交谈，他们对在生物科学中发现这种联系感到惊讶。

“这些新的性能比较将引起开放量子系统和量子技术的大量研究人员的兴趣，”瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的Nicolò defu教授说，他是一位与这项工作无关的量子研究人员。“看到量子技术和生命系统之间日益重要的联系真的很有趣。”

在《科学进展》的文章中，库里安解释并重新审视了基础量子特性和热力学考虑，从一长串物理学家那里，他们明确了物理学和信息之间的本质联系。随着他的团队在生物纤维中发现了紫外线激发的量子比特，地球上几乎所有的生命都具有以可控的量子自由度进行计算的物理能力，允许以纠错周期远远超过最新的基于晶格的表面编码来存储和操作量子信息。“这一切都在热汤里！”量子计算界应该认真关注，”库里安说。

这项工作还引起了量子物理学家赛斯·劳埃德（Seth Lloyd）的注意，他是麻省理工学院（MIT）的机械工程学教授，也是量子计算和宇宙计算能力研究的先驱。“我赞赏库里安博士大胆而富有想象力的努力，他将计算的基础物理学应用于地球上生命系统在生命过程中所进行的信息处理总量。提醒我们生命系统的计算能力要比人工系统强大得多，这是件好事。”

生命在宇宙大设计中的位置

库里安说：“在人工智能和量子计算机时代，重要的是要记住，物理定律限制了它们的所有行为。”然而，尽管这些严格的物理限制也适用于生命追踪、观察、了解和模拟宇宙部分的能力，但随着宇宙故事的展开，我们仍然可以探索并理解其中的辉煌秩序。我们能扮演这样一个角色真是令人敬畏。”

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