我们通常认为，薛定谔的猫又死又活的微观机理，是量子力学的问题；我们最后观察到这只猫或是死或是活的结局以后，这个问题就不再是量子力学的问题了，而是生物学研究的范围：怎么死、怎么活的？

薛定谔在他1944年出版的 《生命是什么？》一书中却认为，即使是在观察到这只猫或是死或是活的结果以后，量子力学还将可以用于探索生命及其生物学研究的问题。有人会感到奇怪，真的是这样吗？

量子力学对我们来说很奇怪，在我们可见的世界里看不到这些现象，因为这些微粒，例如电子或原子，超出了我们通常所能感官的极限。当亿万个这样的微粒聚集在可见体积的物体中时，所有量子古怪现象都会被随之而来的分子振动或干扰所冲走。

这就是为什么当科学家们从事量子现象的研究实验时，通常得在极不平常的实验室环境里这样做。须要将所有物品降温至接近绝对零度，抽出所有空气并保护实验免受任何外来的振动。只有这样，才能发现微妙的量子现象。

然而生命是温热的，混乱的和复杂的。生命发生在充满微粒撞击的活细胞内，充满分子的振动与干扰。生命似乎是量子力学难以存在的地方。

然而，近年来，科学家们发现了越来越清楚的能够在活性细胞内存活的量子行为，它可能解释光合作用，酶的作用，鸟类的导航方式，甚至DNA的工作原理。下面我们简单介绍所探查到的这些生物的生命赖以生存的量子生物行为。

让光明照进来：光合作用
光合作用是生物中最重要的化学反应之一。它利用来自阳光的能量来构造生物物质，其非凡的效率一直是个谜。光合作用的第一步通过叶绿素色素分子中的镁原子，使表面层的电子捕获光子。吸收到的能量使电子振动，形成一种叫做激子（exciton）的东西。

 
下一步是将激子传输到反应中心，从而使捕获的光能可以转化为化学能。这种转变必须非常快; 否则光能就会消失。但是为了找到反应中心，激子又必须穿过众多的色素分子，但是其能量又最容易丢失。 然而测量表明， 激子的能量输送能力与效率极高，在优化条件下几乎接近100％的效率，使用经典物理定律不可能解释这种效率水平。

为什么会是这样的呢？2007年，由芝加哥大学的格雷格·恩格尔（Greg Engel）领导的实验中，将激光照射在光合作用细菌系统中，他得到了一种光回声（Light echo）。但奇怪的是，回声是作为跳动波返回的。 这种跳动是量子行为的标志。它表明激子没有通过光系统采取一条特定的路线：它采取了所有可能的路线，作为量子波前往反应中心。这是第一个直接证据，其核心是光合作用是一种量子力学过程。

以后，在许多细菌和植物光系统中发现了量子相干性，并且这似乎是植物和微生物如何捕获光能的基本特征。特别引人注意的是，即使在环境温度下，这种脆弱的量子状态仍然存在，这一特征引起了量子计算机设计者们极大的兴趣，甚至心里颇有些嫉妒的醋劲，要是他们也能在常温下取得这种状态多好，何苦必须要在接近绝对零度的真空下进行计算。

恩格尔的上述实验同时也使他看到，通过量子光合作用可能导致更好的太阳能电池产生的希望。他首次发现了光合作用中的量子节拍（Quantum beat），他一直在制造具有与细胞光合复合物中发现的色素分子相同的相干性质的合成色素分子。最终的目标是制造能够像在自然界中那样有效地传输能量的太阳能电池。但这需要很多年才可能实现，在实现这一目标之前，需要更多地了解生物如何能够如此长期地保持相干性。

量子罗盘（Quantum compass）：磁反应
最着名的量子生物学提出的例子来自欧洲知更鸟的导航系统。 在冬天，这只鸟飞向南方以逃离寒冷的北方，欧洲知更鸟有一种特殊类型的内置罗盘，可以测量地球磁场对地球表面的角度。

 
这个磁反应罗盘是如何工作的呢？ 2000年，加利福尼亚大学的托尔斯滕-丽兹提出了这个想法，即它可能取决于量子纠缠的特殊特征。当两个纠缠的粒子带电时，它们可以探测到它们与地球磁场之间的角度。丽兹提出一种鸟类磁 感应模型，其中光在知更鸟眼中产生一对纠缠粒子，成为指南针，能够探测到地球磁场的倾斜角度。 该理论的一个预测是量子纠缠罗盘应该被高频无线电波破坏 - 测试证明了这一点。虽然这并尚未完全证明知更鸟的指南针是量子力学效应，但到目前为止还没有人对丽兹的实验结果提出另一种解释。

生命的催化剂 ：酶
酶是生命的引擎。他们操纵电子，质子，原子和分子来制造我们体内的每一种生物分子，是令人难以置信的催化剂，可将化学反应加速到10的20次方倍。如果你步行时有如此加速度，你可以跳到另一个星系。

 
就像光合作用一样，单凭经典定律很难解释这种化学反应的加速度。然而，现在越来越清楚的是，酶通过操纵物质的量子力学性质来获得巨大的化学加速，采用称为量子穿隧的过程。这是一个粒子可以通过其波浪特性穿过一个看似难以逾越的障碍物，从空间中的一个点非物质化而在另一个点实现物化，而不会访问任何中间位置的地方。

早在20世纪70年代，研究表明酶通过量子隧道传递电子。电子很小，所以这并不太令人惊讶，但最近的研究表明，酶通过量子隧道效应促进了更大质子从一个原子到另一个原子的跳跃。我们的身体可能是在量子世界中建造的。

有点香：闻一闻
我们的嗅觉非常强大。 它可以检测到微量的化学物质，甚至是单个分子。它使我们可以区分成千上万的气味。 但它是如何工作的呢？

 
传统的解释运用的是锁与钥匙配合机理。气味分子漂浮在空气中，被鼻子中的嗅觉受体蛋白质捕获。气味和受体分子被认为像一定的钥匙开一定的锁。但是这个理论存在许多问题，例如同样的气味分子经常闻到非常不同的气味。相反，非常不同的分子通常会闻到相同的味道。化学家马尔科姆·戴森（Malcolm Dyson）在20世纪20年代提出了另一种理论，当时他提出嗅觉不是检测到的气味形状，而是它们的分子振动。

但没有人知道分子振动检测器如何在鼻子中起作用。在20世纪90年代，生物化学家卢卡·图灵（Luca Turin）提出 鼻子采用了一种利用量子隧穿的振动检测器。该理论预测，用不同元素同位素制成的气味剂应闻到不同的气味。 2013年报告的实验表明，果蝇确实可以区分同种异味气味，正如理论所预先设定的那样。

用代码编写：DNA突变
量子力学可以帮助研究生物的进化吗？ 多年来，生物学家約翰喬伊.麥克法登（Johnjoe McFadden）和理论物理学家吉姆·阿尔·哈利利（Jim Al Khalili）一直对此感兴趣。

生物进化是通过在DNA序列中产生突变的变异而产生。基本上错误的 DNA在其复制过程中被整合到DNA中，然后自然选择接管以选择有益的突变。

 
在DNA的双螺旋结构的中心是固定螺旋结构在一起的氢联结。这些联结基于单个质子，在两个位置之间共享其双螺旋。这意味着DNA，生命的蓝图，是用量子力学字母编写的。20世纪70年代瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁 （Per-Olov Lwdin）提出编码质子的量子隧穿可以促进DNA的突变。许多研究表明这在理论上是可行的，目前尚没有人在实验中明确这个机制。

量子生物学能否导致对生命的新的定义？哈利利和麥克法登在他们的著作《边缘上的升力：量子生物学时代的到来》（Lift on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology）一书中认为，在相当长的时间内维持相干量子态的能力是生命的基础，生命的定义应该包括细胞执行的量子技巧。他们认为，这就是生命与其他事物不同的原因。麦克法登指出，虽然这还是一个推测，尚没有足够证据支持它，但他希望最终能够通过人工创造新的生命形式，通过将来合成生物学的发展来测试它。

这意味着什么呢？通常认为，随机分子噪声会破坏无生命系统中的量子效应。 那么，量子效应又如何在温热，潮湿和分子噪声的生命活细胞中存活的呢？ 量子生物学最令人惊讶和最有趣的特征之一是，生命似乎已经找到了利用分子噪声来维持而不是破坏量子相干性的方法。实际上，这可能就是生命的基本属性之一。分子噪声可以让生命在量子微观和经典宏观世界之间漫游。