如果有人問：生命最最最底層的運(yùn)行規(guī)律是什么？21世紀(jì)的你我大概會(huì)異口同聲“量子力學(xué)”。在現(xiàn)有科學(xué)體系里，一切事物的最最最本質(zhì)當(dāng)然都是量子。

不過我們也明白，科學(xué)家在生命世界里探索的量子層次仍極為膚淺，比如“量子力學(xué)解釋原子如何結(jié)合形成分子”這樣距離生命現(xiàn)象十萬八千里的最基礎(chǔ)層級(jí)；再高些的層次可觸及“量子隧穿效應(yīng)幫助植物酶找到結(jié)合位點(diǎn)”，但這還是不夠深刻。

量子生物學(xué)家希望找尋疊加態(tài)乃至糾纏態(tài)這些高層級(jí)量子效應(yīng)對(duì)生命的直接、顯著影響，例如“鳥類眼睛內(nèi)的某種蛋白質(zhì)會(huì)因受到光照而形成進(jìn)入特殊疊加態(tài)的電子對(duì)”。

試想，如果量子原理能用于清晰而直接地指導(dǎo)光、磁、電場(chǎng)治療，人類的醫(yī)療保健會(huì)不會(huì)打開全新領(lǐng)域？試想，如果量子生物學(xué)研究表明“大腦中淀粉樣蛋白纖維的堆積是一種針對(duì)代謝應(yīng)激導(dǎo)致的有害紫外光子的防御”，我們對(duì)于疾病的認(rèn)知會(huì)不會(huì)打開全新范式？

生命是否通過量子效應(yīng)

對(duì)光、電、磁療法產(chǎn)生反應(yīng)？

近些年，有部分臨床研究提示了光照與電磁場(chǎng)照射的健康益處，例如：促進(jìn)傷口愈合以及治療痤瘡、脫發(fā)乃至癌癥等疾病。

如果電與磁能用作“治療”，那就意味著生物體能對(duì)電和磁產(chǎn)生某些反應(yīng)。雖說諸如“紫外線光療治斑禿”“腫瘤治療電場(chǎng)效果好”之類的科學(xué)成果無法揭示其“作用原理涉及量子力學(xué)”，但至少有多項(xiàng)平行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果告訴大家：生命可能一定程度上通過量子效應(yīng)對(duì)電和磁產(chǎn)生反應(yīng)。

如果我們?cè)谛睦锬J(rèn)這種量子效應(yīng)的獨(dú)特存在，那么另一個(gè)長(zhǎng)久以來的爭(zhēng)論可能要向某一邊傾斜。那個(gè)爭(zhēng)論由埃爾溫·薛定諤引出：量子效應(yīng)十分微妙且脆弱，相比之下，生物體似乎太過溫?zé)帷⒊睗窈突靵y，以至于量子效應(yīng)對(duì)生命的影響無足輕重？還是說，它其實(shí)暗藏著妙不可言的影響力？

加州量子生物學(xué)研究所的克拉麗斯·艾埃洛(Clarice Aiello)表示：“學(xué)界始終無法就此疑問做出明確證實(shí)或否定，而這也正是我們研究的核心問題。如果量子態(tài)能于活細(xì)胞內(nèi)持續(xù)足夠久并產(chǎn)生實(shí)際作用，我們或?qū)碛幸环N全新的醫(yī)學(xué)手段，用以補(bǔ)充，甚至在某些情況下替代藥物治療。”

無論是活細(xì)胞還是無生命的化學(xué)品，所有物質(zhì)和能量本質(zhì)上都是量子化的。宏觀尺度下，它們表現(xiàn)為連續(xù)的整體；若深入微觀世界，量子效應(yīng)就會(huì)顯現(xiàn)。

通俗地說，量子效應(yīng)就是經(jīng)典粒子和經(jīng)典場(chǎng)無法解釋的現(xiàn)象。其定義的涵蓋范圍很廣，可以關(guān)乎分子的存在，也能觸及糾纏(兩個(gè)粒子表現(xiàn)為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的整體)等奇特現(xiàn)象，還可能支撐起生物體內(nèi)的某些非凡現(xiàn)象，激發(fā)數(shù)十年前帕斯夸爾·約爾當(dāng)(Ernst Pascual Jordan)、埃爾溫·薛定諤、尼爾斯·玻爾等學(xué)者追尋“量子生物學(xué)”。

要理解量子效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)先了解量子世界的基本圖像。從量子層面看，我們通常認(rèn)知中的粒子，更像是由波函數(shù)描述的、彌散開來的可能狀態(tài)云。波函數(shù)是一種數(shù)學(xué)公式，定義了當(dāng)粒子被觀測(cè)并被迫“選擇”僅以一種特定方式存在時(shí)，處于該特定狀態(tài)的概率。

然而，也正因量子概念無比廣闊，如今作為一門學(xué)科領(lǐng)域的量子生物學(xué)仍存在界定上的模糊。生命的底層是化學(xué)，而穿過化學(xué)層層還原，將觸及量子世界。如果“只要遇事不決就搬出量子力學(xué)”“一解釋化學(xué)反應(yīng)就牽涉量子效應(yīng)”，豈不是所有“生物學(xué)”皆可歸為“量子生物學(xué)”？

如此定義便毫無意義。用普林斯頓大學(xué)的格雷戈里·斯科爾斯(Gregory Scholes)的話說：“量子生物學(xué)可不是收容所有未解概念的大籮筐。”

為梳理混亂，艾埃洛將量子生物學(xué)劃分為不同層級(jí)。

艾埃洛的量子生物學(xué)層級(jí)劃分體系

在最基礎(chǔ)的層級(jí)上，量子力學(xué)解釋原子如何結(jié)合形成分子。艾埃洛打趣道：“沒錯(cuò)！所有生物學(xué)本質(zhì)上都是量子的！但這只作為一個(gè)層級(jí)，且并非我關(guān)注的重點(diǎn)。”

相比最基礎(chǔ)層級(jí)再高一級(jí)的量子現(xiàn)象則源于所涉及粒子的尺度極小。

舉例來講，量子隧穿效應(yīng)使得質(zhì)子、電子等微小粒子穿越經(jīng)典力學(xué)視角下粒子無法逾越的能量壁壘。粒子越小，隧穿效應(yīng)越容易發(fā)生。此外，科學(xué)家已證實(shí)，量子隧穿效應(yīng)有助于植物酶(加速生化反應(yīng))找到結(jié)合位點(diǎn)。

斯科爾斯指出：“這些無疑都是量子效應(yīng)，不過普羅大眾心中的量子生物學(xué)必定遠(yuǎn)不止于此。”

繼續(xù)向上分級(jí)，就來到了艾埃洛等人關(guān)注的量子生物學(xué)問題所在的層次，涉及由長(zhǎng)壽命量子態(tài)產(chǎn)生的更為復(fù)雜的量子現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不僅僅源自極小的粒子尺寸，其關(guān)鍵在于疊加態(tài)，即量子物體可同時(shí)處于多種可能狀態(tài)的組合之中。

通俗地說，觀測(cè)前的該物體就是前文介紹的那團(tuán)“可能狀態(tài)云”，既以A%的濃度落在A處，又以B%的濃度位于B處，還以C%的濃度身處C處……一旦觀測(cè)，這團(tuán)云瞬間縮成一個(gè)點(diǎn)，而觀測(cè)前云團(tuán)在哪里的濃度最高，觀測(cè)后單點(diǎn)落在哪里的概率最大。處于疊加態(tài)的量子態(tài)會(huì)相互干涉，如同水波或聲波疊加，彼此增強(qiáng)或抵消。

經(jīng)典雙縫實(shí)驗(yàn)可直觀解釋疊加態(tài)：若向一個(gè)帶著兩條狹縫的屏障發(fā)射粒子，粒子會(huì)處于多種可能狀態(tài)的疊加態(tài)，仿佛同時(shí)穿過兩條狹縫。但當(dāng)你選擇觀察它，疊加態(tài)便坍縮了，你只會(huì)看到粒子穿過一個(gè)狹縫，干涉現(xiàn)象也隨之消失。

糾纏態(tài)比疊加態(tài)更復(fù)雜，要求至少兩個(gè)量子粒子相互作用，使它們的波函數(shù)相互關(guān)聯(lián)。粒子糾纏后，即便二者相隔萬里，也可通過觀測(cè)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，確定另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

量子生物學(xué)家曾對(duì)這些更高層次的量子效應(yīng)抱有希望、又感到失望。以光合作用為例，該機(jī)制的驚人效率一度被認(rèn)為依賴于疊加態(tài)，但后來研究者發(fā)現(xiàn)，其涉及的量子物理更為微妙，在艾埃洛分級(jí)體系里介于疊加態(tài)與隧穿效應(yīng)所在的層級(jí)之間。光合作用依賴一種“準(zhǔn)粒子”，即聲子。它們攜帶分子振動(dòng)能量，幫助捕光蛋白高效傳遞吸收的太陽能。

候鳥可能利用量子效應(yīng)感知地球磁場(chǎng)從而導(dǎo)航

另一方面，有可靠證據(jù)表明，高層級(jí)量子效應(yīng)可能在生命活動(dòng)中發(fā)揮作用。例如，候鳥被認(rèn)為利用疊加態(tài)感知地球磁場(chǎng)以進(jìn)行導(dǎo)航，而該過程涉及一種量子特性，即能與磁場(chǎng)相互作用的“自旋”：

鳥類眼睛內(nèi)所含的特殊蛋白質(zhì)隱花色素，在受到光線照射時(shí)，會(huì)有成對(duì)電子被激發(fā)，進(jìn)入特殊的量子態(tài)——“自旋方向相同”與“自旋方向相反”這兩種可能性的疊加態(tài)。

處于疊加態(tài)時(shí)，電子與地球磁場(chǎng)相互作用，改變自旋方向相反或相同的概率。隱花色素的化學(xué)反應(yīng)會(huì)隨自身狀態(tài)變化，從而將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)——可以認(rèn)為這是種只能靠疊加態(tài)來工作的“量子內(nèi)置羅盤”。

綜上，我們大致了解了艾埃洛構(gòu)建的量子生物學(xué)層級(jí)體系。那么，本文開頭提到的光電磁的治療，或者說“光療法”(light therapies)，可以歸入量子效應(yīng)的哪一層？

光照治療的起源和進(jìn)展

光療法起源于19世紀(jì)末，彼時(shí)有位罹患罕見代謝疾病的丹麥醫(yī)生尼爾斯·呂貝里·芬森(Niels Ryberg Finsen)發(fā)現(xiàn)，陽光能緩解自身癥狀，后來便將光照引入臨床，利用紫外線光束治療皮膚病。這項(xiàng)突破性工作讓他獲得1903年諾貝爾獎(jiǎng)。遺憾的是，芬森在1904年英年早逝。

一個(gè)多世紀(jì)前，醫(yī)生們就已經(jīng)注意到了陽光的療愈特性

諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)曾表示光療法“為醫(yī)學(xué)開辟了新道路”，不過這條道路長(zhǎng)久以來鮮有人涉足。直到近些年，越來越多研究聲稱，光可用于生發(fā)、降血糖、緩解抑郁、促傷口愈合、加速中風(fēng)康復(fù)、延阻阿爾茨海默病甚至是治療勃起功能障礙。

某些類型的光療法可歸為“光生物調(diào)節(jié)療法”，其效用已獲得更為扎實(shí)的證據(jù)支持。例如，弱激光成為了治療口腔黏膜炎(部分癌癥治療可引發(fā)該口腔炎癥)的標(biāo)準(zhǔn)療法。

部分學(xué)者認(rèn)為，光療有效是因?yàn)樘囟úㄩL(zhǎng)的光能刺激線粒體內(nèi)的特定光敏蛋白，而線粒體負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)多項(xiàng)重要功能。不過，從刺激線粒體到諸如生發(fā)之類的療效，中間有諸多未知環(huán)節(jié)。另外，法國索邦大學(xué)光生物學(xué)家瑪格麗特·艾哈邁德(Margaret Ahmad)指出，光療法的實(shí)際效果不太可能單靠某一種蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)。

斯科爾斯推測(cè)，在量子效應(yīng)層級(jí)劃分體系里，光生物調(diào)節(jié)療法只于低層次發(fā)揮作用，或最多達(dá)到與光合作用相當(dāng)?shù)摹敖橛诏B加態(tài)與隧穿效應(yīng)所在級(jí)之間”的中等層次(甚至可能只屬于普通化學(xué)反應(yīng))。事實(shí)上，斯科爾斯與同事正嘗試證明，由大量相互作用部分組成的經(jīng)典系統(tǒng)(如生物體)，有時(shí)無須涉及真正的量子物理學(xué)，也可模擬量子效應(yīng)。

基于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的療法

是否連接著高層級(jí)的量子效應(yīng)

專注可見光及近可見光的光療法已有百年歷史，相比之下，基于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的療法屬于新興領(lǐng)域。

新加坡科學(xué)家正開發(fā)一種磁療法，旨在將其用作乳腺癌化療的輔助治療。此外，美國、加拿大、歐盟和日本批準(zhǔn)了一款名為Optune的設(shè)備用于特定腦癌和肺癌治療，設(shè)備工作原理基于快速交變電場(chǎng)。多項(xiàng)臨床試驗(yàn)證實(shí)Optune有效性，但不少醫(yī)學(xué)界人士對(duì)相關(guān)證據(jù)持懷疑態(tài)度，患者群體也擔(dān)憂治療存在副作用或影響生活質(zhì)量。

專家指出，目前缺少能支持使用電場(chǎng)治療腦癌的證據(jù)

磁療法是否涉及高層次量子效應(yīng)？有更充分的論據(jù)支持肯定答案。一方面，關(guān)于候鳥利用地球磁場(chǎng)導(dǎo)航的大量研究可提供實(shí)證；另一方面，基于類似磁療法原理而開發(fā)的人工量子傳感器就擺在世人眼前。

艾埃洛認(rèn)為，磁療利用的量子機(jī)制很可能涉及處于疊加態(tài)(前文介紹的較高層級(jí))的自旋配對(duì)。

不過換個(gè)角度分析，磁療法也可能與量子力學(xué)毫無關(guān)聯(lián)，不具備真正意義上的量子性，而僅僅是光電磁手段的經(jīng)典作用結(jié)果。

英國謝菲爾德大學(xué)分子生物學(xué)家卡勒姆·瓊斯(Callum Jones，曾參與Optune設(shè)備制造商資助的項(xiàng)目)表示，Optune設(shè)備的作用機(jī)制完全符合經(jīng)典物理原理。交變電場(chǎng)會(huì)擾亂細(xì)胞分裂相關(guān)蛋白質(zhì)絲的電場(chǎng)，而癌細(xì)胞分裂速度遠(yuǎn)快于健康細(xì)胞，因此更易受影響。

上述種種基于光、磁、電場(chǎng)的療法，都已取得遠(yuǎn)超理論進(jìn)展的實(shí)踐成果，而實(shí)踐的成功來自四處摸索、反復(fù)試錯(cuò)，其中缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如艾哈邁德所言，治療劑量的微小調(diào)整，比如將光照時(shí)長(zhǎng)從5分鐘調(diào)至10分鐘，都可能導(dǎo)致顯著療效歸零。

以艾哈邁德的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)舉例：在人類細(xì)胞培養(yǎng)物中，特定劑量的光能減輕諸如重度新冠病毒感染、敗血癥等問題引發(fā)的急性炎癥；不過只要光照劑量偏離正確值，光療就無效了。

由于光療原理不明，相關(guān)研究往往引出更多疑問。艾哈邁德表示：“如今的挑戰(zhàn)是探明作用機(jī)制，以求精準(zhǔn)、可靠地應(yīng)用這類療法。”

量子生物學(xué)視角下的

疾病認(rèn)知新范式、治療新方法

2024年，美國霍華德大學(xué)量子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的首席研究員菲利普·庫里安(Philip Kurian)撰文介紹了一種似乎依賴量子糾纏的奇特現(xiàn)象。作者團(tuán)隊(duì)通過生物分子(而非活細(xì)胞)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)色氨酸網(wǎng)絡(luò)依托于微管結(jié)構(gòu)時(shí)，其表現(xiàn)得就像一種集群式的量子光纖網(wǎng)絡(luò)。

這些“巨型網(wǎng)絡(luò)”處于糾纏態(tài)，如同一個(gè)巨大、分散的量子整體。單個(gè)色氨酸分子會(huì)吸收紫外光子，并以低能量波長(zhǎng)發(fā)出熒光；但若組成量子集體，分子們便不再各自閃爍，而是同步閃耀熒光——發(fā)光過程大大加快。

某些細(xì)胞代謝過程(尤其當(dāng)細(xì)胞應(yīng)激時(shí))會(huì)自然釋放紫外光子，紫外光子則會(huì)破壞生化反應(yīng)。庫里安認(rèn)為，此種“超輻射”(superradiance)效應(yīng)能高效吸收紫外光，保護(hù)細(xì)胞。基于此，不妨進(jìn)一步推測(cè)：包括神經(jīng)元在內(nèi)的細(xì)胞，或可利用超輻射效應(yīng)，以遠(yuǎn)超神經(jīng)元間化學(xué)信號(hào)傳遞的速度來傳輸信息。“經(jīng)典神經(jīng)科學(xué)從未關(guān)注這片廣闊的量子領(lǐng)域。”

庫里安將上述關(guān)于“色氨酸網(wǎng)絡(luò)”“超輻射”的知識(shí)視作醫(yī)用的寶庫。在他看來，深刻理解現(xiàn)象背后的機(jī)制，將創(chuàng)造針對(duì)阿爾茨海默病的新療法。與微管類似，阿爾茨海默病相關(guān)的淀粉樣蛋白纖維表面也布滿色氨酸。庫里安團(tuán)隊(duì)近期的理論計(jì)算表明，相較于微管上的色氨酸網(wǎng)絡(luò)，淀粉樣蛋白上的色氨酸網(wǎng)絡(luò)吸收紫外光的能力更強(qiáng)。

團(tuán)隊(duì)據(jù)此做出推測(cè)：或許，大腦中淀粉樣蛋白纖維的堆積，不應(yīng)只被視作致病因素，這本質(zhì)上是一種防御反應(yīng)，旨在應(yīng)對(duì)代謝應(yīng)激細(xì)胞釋放的有害紫外光子！若認(rèn)可此推斷，那也就不難理解為何旨在分解淀粉樣纖維的阿爾茨海默病藥物療效有限。

退一萬步說，即便庫里安等學(xué)者探究的效應(yīng)被證實(shí)并非高層級(jí)的量子生物學(xué)現(xiàn)象，那些試管實(shí)驗(yàn)和臨床研究中出現(xiàn)的奇特跡象也足以令人暢想未來——用光、磁、電場(chǎng)來治療疾病與調(diào)節(jié)健康的“量子療”未來。

相較于以藥物生物化學(xué)為內(nèi)核的傳統(tǒng)療法，依托量子生物學(xué)原理的光磁電醫(yī)療手段可謂全新范式，將引領(lǐng)我們的健康認(rèn)知進(jìn)入至生命最深處的物理法則。

當(dāng)然，新路多阻。

實(shí)踐層面的障礙是一方面，如艾哈邁德所言，相關(guān)臨床試驗(yàn)成本高昂，而制藥企業(yè)又沒動(dòng)力去研發(fā)材料廉價(jià)、技術(shù)簡(jiǎn)單、難獲專利的療法。

更為關(guān)鍵的是，量子生物學(xué)本身面臨艱巨挑戰(zhàn)，即證實(shí)高層級(jí)量子效應(yīng)的確在生物過程中發(fā)揮實(shí)際作用。艾埃洛指出，迄今唯一被確證能顯著影響活細(xì)胞的量子生物學(xué)層級(jí)，仍停留于化學(xué)的基礎(chǔ)層。她與同事希望開展更多工作，設(shè)計(jì)足夠靈敏的儀器用以捕捉活細(xì)胞里微弱的磁場(chǎng)。

資料來源：

文章轉(zhuǎn)載自“世界科學(xué)”公眾號(hào)