来源：科技眼

量子力学是研究微观粒子的基本理论，它描述了一些与常规直觉不符的现象，如量子隧穿、量子纠缠等。要观察这些现象，通常需要在极低的温度下进行实验。长期以来，人们认为生物系统过于“热”和“混乱”，会导致退相干现象，因此量子物理的作用在其中被认为微乎其微。然而，随着科学研究的深入，我们逐渐认识到，生命在日常活动中实际上也运用了量子力学。例如，动物利用量子力学进行导航，而更令人惊讶的是，我们的嗅觉系统也与量子力学密切相关。

磁感应是指某些动物能够感知地球磁场，并利用这一信息进行导航或定位。这一能力广泛存在于鸟类、鱼类、昆虫、爬行动物和哺乳动物中。尽管磁感应的具体机制尚不完全明了，但目前有两种主要假设：一种是基于磁铁体，另一种是基于光化学反应。

磁铁体假设认为，动物体内含有磁铁体细胞或结构，这些结构可以受到地球磁场的影响，从而产生力或电信号传递给神经系统。该假设能解释一些动物对磁场强度和方向的感知，以及对人工磁场的反应。

另一种假设是基于光化学反应，认为动物体内存在含有色素的细胞或结构，在光照下发生特殊的化学反应，产生自由基对。通过量子力学的纠缠作用，这些自由基对的自旋状态相互依赖，而地球磁场则影响它们之间的纠缠程度，进而改变它们的寿命。神经系统可以检测到这种变化，并将其转化为视觉信号或其他信息。这一假设有助于解释动物如何感知磁场的方向和极性，同时也能说明动物为何对光线的颜色和强度表现出不同的依赖。

在生物系统中观察到量子纠缠是令人惊讶的，因为生物体在面临热噪声和分子碰撞干扰时，通常很难保持量子状态。为了解释这一现象，部分理论模型提出，生物系统可能通过某些特殊机制来保护量子纠缠。例如，使用特定分子结构隔离色素分子，或者通过光线的偏振增强量子纠缠。这些机制可能是通过自然选择优化的，从而使得生物系统能够充分利用量子纠缠来提升磁感应的灵敏度和精度。

动物通过嗅觉受体细胞上的受体蛋白感知气味分子。嗅觉作为重要的感官之一，帮助动物寻找食物、避免危险以及识别同伴等。尽管嗅觉的机制尚不完全清楚，但主流的假设有两种：一种是基于分子形状，另一种是基于分子振动。

分子形状假设认为，嗅觉受体蛋白通过识别气味分子的形状来触发嗅觉反应，类似于“钥匙与锁”的模型，即气味分子必须与受体结合位点相匹配，才能产生反应。然而，这一假设在解释气味的多样性时面临挑战。尽管我们能够分辨成千上万种气味，但嗅觉受体的种类却远不及如此多的气味。因此，一些科学家提出了分子振动假设。

根据分子振动假设，嗅觉受体蛋白通过识别气味分子的振动频率来感知气味。每个化学键都有其特定的振动频率，因此每种分子都具有不同的振动特征。科学家通过激光照射分子，激发其分子键振动并释放光，从而计算出分子的化学组成。而鼻子则利用量子隧穿效应检测这些振动。

当气味分子进入鼻腔时，其振动能量使得电子发生隧穿，穿过感受器膜。当电子抵达新位置时，它失去能量并发出一个光子，这个光子会被我们的嗅觉系统识别，从而产生嗅觉反应。尽管目前科学界尚未就人类嗅觉是否真的利用量子力学达成共识，但相关实验和理论研究提供了支持分子振动假设的证据。

光合作用是将光能转化为化学能的过程，是植物和一些细菌的能量来源。在光合作用过程中，光能被分子吸收并生成激子，这些激子通过一系列蛋白质传递到反应中心，触发一系列化学反应，最终将水分解为氧气并将二氧化碳转化为有机物。

然而，量子生物学面临诸多挑战，如如何在温暖湿润的环境中保护量子相干、如何在生物系统中控制量子效应、如何建立有效的理论模型等。尽管如此，量子生物学的未来无疑为我们打开了一扇通向生命奥秘的新大门，也为技术创新提供了新的思路。