我們從初中的歷史課上就知道一件事：指南針是中國古代的四大發(fā)明之一。指南針的發(fā)明和傳播對文明的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響，讓航海時代和世界范圍的交流成為可能。但是在科技高度發(fā)達的現(xiàn)代社會，指南針在人類世界中已沒有了用武之地，導(dǎo)航和定位都是通過衛(wèi)星來實現(xiàn)的，即使是手機上的 " 指南針 "APP，其原理也換成了 " 霍爾效應(yīng) "。但是對于動物來說，特別是每年要往返數(shù)千公里南北遷徙的候鳥，它們在沒有科學(xué)技術(shù)輔助的情況下，是怎樣進行導(dǎo)航的呢？近幾十年的科學(xué)研究揭示了候鳥導(dǎo)航的 " 關(guān)鍵零件 " 和原理——隱花色素 4 的自旋單態(tài)和自旋三重態(tài)對磁場的敏感依賴。本文將對這一原理進行簡要的介紹。

撰文 | 若平

1、地磁場

地磁場是指地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象。地球可視為一個磁偶極，其中磁南極在地理北極附近，而磁北極在地理南極附近。通過這兩個磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉(zhuǎn)軸大約成 11.3 度的傾斜。地磁場的強度大約在 25 到 65 微特斯拉，而一個冰箱貼的磁場強度就接近 10000 微特斯拉，可見地磁場是比較微弱的。過去科學(xué)家們很難相信這么微弱的磁場能夠?qū)?a class="external" href="http://www.ci5987.com/tag/shengwu" title="查看與 生物 相關(guān)的文章" target="_blank">生物反應(yīng)產(chǎn)生影響。但是近幾十年持續(xù)不斷的研究表明，候鳥可以感應(yīng)到地磁場，并通過地磁場來進行導(dǎo)航。

圖 1：地磁場

2、隱花色素

隱花色素，或者稱為 CRY 蛋白，是一類廣泛分布于真核細胞生物的光受體蛋白。隱花色素最早在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，參與了植物一系列需要吸收短波長光的生理活動，后來的研究又在果蠅、小鼠、鳥類、甚至人體中發(fā)現(xiàn)了這種蛋白質(zhì)。在動物體內(nèi)，隱花色素主要集中在視網(wǎng)膜上，參與了生物的一系列光調(diào)控反應(yīng)。2000 年，美國伊利諾伊大學(xué)的克勞斯 · 舒特恩（Klaus Schulten）教授提出了一個新的非常吸引人的理論——鳥類利用隱花色素感應(yīng)地磁場的方向。

圖 2：隱花色素感光反應(yīng)

隱花色素的內(nèi)部結(jié)合了一個 FAD 分子，這個分子是 CRY 蛋白感光的重要原因，被稱為隱花色素的 " 心臟 "。FAD 分子可以在吸收一個光子之后，進入激發(fā)態(tài) FAD*。隨后，與 FAD 相近的四個色氨酸 ( TrpH ) 發(fā)生連續(xù)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng) ( 圖 2. ( a ) ) ，電子被 FAD* 吸收形成 FAD*-，而色氨酸則形成帶正電的 TrpH+。FAD*- 與 TrpH+ 有兩種不同的自旋狀態(tài)，而這兩種自旋狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速率依賴于外界磁場。正是這一特性使得候鳥可以利用隱花色素感應(yīng)到地磁場的方向。

當(dāng)候鳥沿著不同的方向水平飛行時，地磁場的方向與候鳥眼睛接受光線的方向有不同的夾角，這個夾角的大小會影響 FAD*- 與 TrpH+ 兩種不同的自旋狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速率，因此在不同的方向上，候鳥眼中的明暗條紋是不同的。

3、候鳥的量子力學(xué)

生命體內(nèi)的反應(yīng)過程需要量子力學(xué)嗎？

這是長久以來科學(xué)家企圖弄明白的問題。有一點是確定的：分子的化學(xué)反應(yīng)過程中存在很多量子過程，但是由于反應(yīng)環(huán)境復(fù)雜多變，任何量子態(tài)都會被迅速的平均化，最終量子過程的影響也會被平均掉。因此，似乎生命的進化和繁衍的過程不需要量子力學(xué)來運作：生命是經(jīng)典的。

但是經(jīng)過半個世紀左右的時間，從假設(shè)提出到實驗驗證，科學(xué)家們終于找充分的證據(jù)表明候鳥對地磁場的感應(yīng)是一個基于量子力學(xué)的生化過程。

圖 3：擁有隱花色素的候鳥和擬南芥，其體內(nèi)某些生化反應(yīng)對磁場敏感

讓我們從量子力學(xué)的角度來看一下候鳥的 " 指南針 "。

首先你需要知道自旋的概念。

" 自旋 " 這一概念最早是通過一系列實驗建立起來的，例如著名的 " 斯特恩 - 蓋拉赫 " 實驗。實驗結(jié)果顯示，電子應(yīng)該具有一種可以與磁場相互作用的內(nèi)稟角動量，因其性質(zhì)與經(jīng)典角動量相似，所以取名為 " 自旋 "。但是這并不意味著電子真的在旋轉(zhuǎn)，我們無法從經(jīng)典的角度來理解自旋。目前的理論和實驗都沒有發(fā)現(xiàn)電子的半徑下限，因此電子是被當(dāng)作點粒子來對待的。自旋的取值是量子化的——只能取整數(shù)或者半整數(shù)，自旋是一個矢量，當(dāng)我們沿某一個方向測量這個矢量的投影時，測量值也是量子化的。

圖 4：電子自旋示意圖。左圖表示上自旋，右圖表示下自旋。

如圖 4 所示，電子的自旋是 1/2，其投影有兩個取值，分別是 +1/2 和 -1/2。圖中的旋轉(zhuǎn)箭頭只是為了表示自旋角動量的方向，并不代表電子在旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)泡利不相容原理，兩個電子不能處在同一個狀態(tài)上，因此原子核周圍的電子一般都是成對分布的，一個原子軌道上可以容納兩個電子，一個自旋向上，一個自旋向下。這兩個電子的自旋取向不能相同，處在一種關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，也就是我們通常所說的量子糾纏態(tài)。

圖 5：自旋關(guān)聯(lián)的自旋單態(tài)、自旋三重態(tài)與自旋不相關(guān)的平衡態(tài)

我們前面提到，F(xiàn)AD 在受到光照之后，會從色氨酸上奪取一個電子形成 FAD*-, 而原來的色氨酸則會形成 TrpH+。FAD 奪過來的電子本來在 TrpH 中是與另一個電子成對存在的，被奪過來之后，這兩個電子在短時間內(nèi)依然處于糾纏態(tài)！但是由于兩個電子已經(jīng)不在同一個軌道上了，不會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，就構(gòu)成了自旋單態(tài)，自旋取向相同則構(gòu)成自旋三重態(tài)。也就是說，F(xiàn)AD*- 與 TrpH+ 處于自旋單態(tài)或者自旋三重態(tài)，這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速率會受到磁場的影響。

圖 6：隱花色素的自旋單態(tài)與自旋三重態(tài)

如圖 6 中所示，A 代表色氨酸，B 代表 FAD。自旋單態(tài) [ A+ B- ] 可以分解回 A 和 B，也可以轉(zhuǎn)換成產(chǎn)物 C，自旋三重態(tài) [ A+ B- ] 則只能轉(zhuǎn)換成產(chǎn)物 C，單態(tài)和三重態(tài)之間還可以相互轉(zhuǎn)化。而自旋會受到磁場的影響，自旋單態(tài)與自旋三重態(tài)之間的轉(zhuǎn)化依賴于磁場 ( 磁場方向與候鳥飛行方向的夾角 ) ，這樣，在不同的磁場下，產(chǎn)物 AB 與產(chǎn)物 C 的比例是不一樣的，最終這種不一樣轉(zhuǎn)化為鳥兒視網(wǎng)膜上不同區(qū)域的視覺圖像的差別，因此在候鳥看來，不同的方向具有不同的條紋。我們可以說，候鳥直接看到了地磁場！候鳥視網(wǎng)膜上的隱花色素，就是引導(dǎo)候鳥每年南北往返而不會迷路的量子羅盤！

候鳥大概永遠不會像我們?nèi)祟愡@樣幸運，進化出能夠理解物理規(guī)律的大腦。但是，量子力學(xué)——現(xiàn)代物理學(xué)的基石——會永遠默默地為它們指明回家的方向。