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候鸟的量子力学:自旋、纠缠态与地磁导航

文章概览:我们从初中的历史课上就知道一件事:指南针是中国古代的四大发明之一。指南针的发明和传播对文明的发展产生了很大的影响,让航海时代和世界范围的交流成为可能。但是在科技高度发达的现代社会,指南针在人类世界中已没有了用武之地,导航和定位都是通过卫星来实现的,即使是手机上的“指南针”APP,其原理也换成了“霍尔效应”。

但是对于动物来说,特别是每年要往返数千公里南北迁徙的候鸟,它们在没有科学技术辅助的情况下,是怎样进行导航的呢?近几十年的科学研究揭示了候鸟导航的“关键零件”和原理——隐花色素4的自旋单态和自旋三重态对磁场的敏感依赖。本文将对这一原理进行简要的介绍。

 

撰文 | 若平

 

01、地磁场

地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。地球可视为一个磁偶极,其中磁南极在地理北极附近,而磁北极在地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线(磁轴)与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地磁场的强度大约在25到65微特斯拉,而一个冰箱贴的磁场强度就接近10000微特斯拉,可见地磁场是比较微弱的。

过去科学家们很难相信这么微弱的磁场能够对生物反应产生影响。但是近几十年持续不断的研究表明,候鸟可以感应到地磁场,并通过地磁场来进行导航。
图 1:地磁场

 

02、隐花色素

隐花色素,或者称为CRY蛋白,是一类广泛分布于真核细胞生物的光受体蛋白。隐花色素最早在植物体内发现,参与了植物一系列需要吸收短波长光的生理活动,后来的研究又在果蝇、小鼠、鸟类、甚至人体中发现了这种蛋白质。

在动物体内,隐花色素主要集中在视网膜上,参与了生物的一系列光调控反应。2000年,美国伊利诺伊大学的克劳斯·舒特恩(Klaus Schulten)教授提出了一个新的非常吸引人的理论——鸟类利用隐花色素感应地磁场的方向。
图 2:隐花色素感光反应

 

隐花色素的内部结合了一个FAD分子,这个分子是CRY蛋白感光的重要原因,被称为隐花色素的“心脏”。FAD分子可以在吸收一个光子之后,进入激发态FAD*。随后,与FAD相近的四个色氨酸(TrpH)发生连续的电子转移反应(图2.(a)),电子被FAD*吸收形成FAD*-,而色氨酸则形成带正电的TrpH+。FAD*-与TrpH+有两种不同的自旋状态,而这两种自旋状态之间的转换速率依赖于外界磁场。

正是这一特性使得候鸟可以利用隐花色素感应到地磁场的方向。当候鸟沿着不同的方向水平飞行时,地磁场的方向与候鸟眼睛接受光线的方向有不同的夹角,这个夹角的大小会影响FAD*-与TrpH+两种不同的自旋状态的转换速率,因此在不同的方向上,候鸟眼中的明暗条纹是不同的。

 

03候鸟的量子力学

生命体内的反应过程需要量子力学吗?这是长久以来科学家企图弄明白的问题。有一点是确定的:分子的化学反应过程中存在很多量子过程,但是由于反应环境复杂多变,任何量子态都会被迅速的平均化,最终量子过程的影响也会被平均掉。

因此,似乎生命的进化和繁衍的过程不需要量子力学来运作:生命是经典的。但是经过半个世纪左右的时间,从假设提出到实验验证,科学家们终于找充分的证据表明候鸟对地磁场的感应是一个基于量子力学的生化过程。
图 3:拥有隐花色素的候鸟和拟南芥,其体内某些生化反应对磁场敏感让我们从量子力学的角度来看一下候鸟的“指南针”。首先你需要知道自旋的概念。“自旋”这一概念最早是通过一系列实验建立起来的,例如著名的“斯特恩-盖拉赫”实验。实验结果显示,电子应该具有一种可以与磁场相互作用的内禀角动量,因其性质与经典角动量相似,所以取名为“自旋”。

但是这并不意味着电子真的在旋转,我们无法从经典的角度来理解自旋。目前的理论和实验都没有发现电子的半径下限,因此电子是被当作点粒子来对待的。自旋的取值是量子化的——只能取整数或者半整数,自旋是一个矢量,当我们沿某一个方向测量这个矢量的投影时,测量值也是量子化的。
图 4:电子自旋示意图。左图表示上自旋,右图表示下自旋。如图4所示,电子的自旋是1/2,其投影有两个取值,分别是+1/2和-1/2。图中的旋转箭头只是为了表示自旋角动量的方向,并不代表电子在旋转。根据泡利不相容原理,两个电子不能处在同一个状态上,因此原子核周围的电子一般都是成对分布的,一个原子轨道上可以容纳两个电子,一个自旋向上,一个自旋向下。这两个电子的自旋取向不能相同,处在一种关联的状态,也就是我们通常所说的量子纠缠态。
图 5:自旋关联的自旋单态、自旋三重态与自旋不相关的平衡态我们前面提到,FAD在受到光照之后,会从色氨酸上夺取一个电子形成FAD*-,而原来的色氨酸则会形成TrpH+。FAD夺过来的电子本来在TrpH中是与另一个电子成对存在的,被夺过来之后,这两个电子在短时间内依然处于纠缠态!

但是由于两个电子已经不在同一个轨道上了,不会受到泡利不相容原理的限制,其自旋取向可以相同也可以相反。自旋取向相反,就构成了自旋单态,自旋取向相同则构成自旋三重态。也就是说,FAD*-与TrpH+处于自旋单态或者自旋三重态,这两种状态之间的转换速率会受到磁场的影响。图 6:隐花色素的自旋单态与自旋三重态如图6中所示,A代表色氨酸,B代表FAD。自旋单态[A+ B-]可以分解回A和B,也可以转换成产物C,自旋三重态[A+ B-]则只能转换成产物C,单态和三重态之间还可以相互转化。而自旋会受到磁场的影响,自旋单态与自旋三重态之间的转化依赖于磁场(磁场方向与候鸟飞行方向的夹角),这样,在不同的磁场下,产物AB与产物C的比例是不一样的,最终这种不一样转化为鸟儿视网膜上不同区域的视觉图像的差别,因此在候鸟看来,不同的方向具有不同的条纹。

我们可以说,候鸟直接看到了地磁场!候鸟视网膜上的隐花色素,就是引导候鸟每年南北往返而不会迷路的量子罗盘!候鸟大概永远不会像我们人类这样幸运,进化出能够理解物理规律的大脑。但是,量子力学——现代物理学的基石——会永远默默地为它们指明回家的方向。

 

参考文献

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本文经授权转载自微信公众号“中科院高能所”,编辑:刘铭。

 

 



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