作者：呂鎧均
編輯：王泰洲｜量子線上學院特約編輯
審閱：鄭原忠 ｜臺灣大學化學系教授
量子生物學(Quantum biology)即是以微觀世界的理論–量子力學–來解釋生物體表現的一門學問。20世紀初，量子力學漸漸的走入了人們的眼中，幫助人們更深入的認識許多過去無法理解的現象。此時許多生物學家也漸漸發現，傳統生物學已無法詮釋許多生物學上的難題，如至今仍有許多爭議的學說—自然發生論，即生命起源。1944年，薛丁格（Erwin Schrödinger）〈生命是什麼（What Is Life？）一書，不僅正式將量子力學帶入生物學，書中對於遺傳物質的解釋也推進了分子生物學，對染色體遺傳學說影響甚大。
過去普遍認為，量子力學不可能發生在複雜且濕熱的生物體內。然而，科學家們漸漸發現，量子力學在生物行為中扮演著至關重要的角色。美國計算生物物理學家–克勞斯·舒爾特(Klaus Schulten)–提出了一對自由基可以由快速三重激發態反應（fast triplet reaction)的過程產生，且認為鳥類腦中羅盤可能來自於其中電子的自旋（spin）及量子糾纏效應（quantum entanglement)。除了動物對地球磁場的感知、將光轉換成能量的光合作用、膠原酶(collagenase)的運作機制等生物體中的化學反應，都與量子力學有著密不可分的關係(圖一)。隨著我們對於生物現象中的微觀過程愈來愈了解，量子生物學的概念也逐漸的成熟。
以鳥類對於地球磁場的感知為例，若要更深入地了解他們的羅盤運作模式，我們必須先對隱花色素（crytochrome）有基本的認識。隱花色素是一種普遍存在於真核生物受器的蛋白質，簡單來說，就是一種主要功能為接收藍光的光受體；而蛋白質原則上可產生自由基對，且其電子自旋在磁場感應中扮演著重要的角色。隱花色素被認為和感應磁場有關是由一場生物的遷徙開始:北美洲的帝王蝴蝶每年秋天都會從加拿大的多倫多出發，經過四千多公里的路程到墨西哥山區冬眠，直到夏天再原路折返，這是一個需要三代蝴蝶才能完成，世界上最偉大的遷徙之一。而生物學家藉由蝴蝶和果蠅的基因轉殖實驗發現，帝王蝴蝶就是藉由觸角上的隱花色素「感應」太陽光、並藉此偵測地球磁場。而隱花色素究竟是如何運作的?歐洲知更鳥的羅盤將給予和它有關的解釋。
鳥類能感知地磁的現象在19世紀時期就已被記載，而20世紀中期威爾奇科夫婦於多次實驗後發現候鳥體內的磁場接收器並非傳統指針式羅盤，而是磁傾角羅盤—一種以測量地球磁場與地表的夾角來告知使用者正在「接近」或「遠離」地磁的羅盤。知更鳥由視網膜上的隱花色素接收自然光，其內部一原子的電子因為吸收了光子而轉移，此時隱花色素中稱為色胺酸(tryptophan)的胺基酸提供了一顆糾纏電子來補足先前轉移電子的空位。而這顆轉移過來的電子仍和原本配對的電子保持的糾纏態，這對糾纏電子最終會以單重自旋態(singlet state)或自旋三重疊加態(triplet state)存在，而此一平衡系統可以精準的感測磁傾角，使鳥類「看見」地球磁場(圖二)。
雖然科學家們發現了鳥類感應磁場的原理，但鑒於人類現今的技術，對於生物感應磁場的能力，仍有許多未解之謎。舉例來說，我們無法模擬鳥的眼睛所看到的世界。而除了候鳥以外，海龜、蜜蜂等許多生物也都擁有感應地磁的功能；隱花色素更普遍存在於大部分的真核生物體內，人類也包含在其中。但人類是否具有，或者是曾經擁有感應磁極的潛力?相關的研究也正在進行中。相信這些有趣的議題也會隨著量子生物學的發展而逐漸揭開他們神秘的面紗。
資料來源
- ’Quamtum biology’ –Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology - ’Cryptochromes’ –Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptochrome - ’Monarch butterfly’ –Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Monarch_butterfly - Peter Hore,’ The quantum Robin’
- M. J. M. Leask, ‘A physicochemical mechanism for magnetic field detection by migratory birds and homing pigeons’
- Jim Al-Khalili/Johnjoe Mcfadden,’Life on the Edge:The Coming Edge of Quantum Biology’
