2017-01-06 由 四川廣播電視臺 發表于科學

二.鳥類遷徙機制中的量子效應

更進一步，量子效應在生物學中的作用很有可能還並不僅僅局限在植物的光合作用機制之中。科學界從19世紀起便一直感到困惑的另外一個謎團很有可能同樣與此有關，那就是：遷徙的鳥類如何知道飛行的路徑？候鳥的遷徙往往要飛行上千公里的遙遠距離，像知更鳥常常會飛往南歐或北非地區以躲開嚴寒的冬季。像這樣飛越陌生的地域上空長途遷徙是非常危險的，如果沒有可靠的導航，這樣的旅程幾乎將是不可能完成的任務。一隻從波蘭出發的知更鳥，如果在方向感上出現了差錯，那麼它可能會飛到更加寒冷的西伯利亞去，而不是溫暖的北非摩洛哥。 知更鳥是如何知道飛行的方向的？ 關於這些鳥類體內可能存在某種生物學導航器官的理論很難站得住腳。如果在知更鳥的大腦或者眼睛內部深處真的存在一些極其細微的針狀磁鐵，以便探測地球的磁場實現導航，那麼在現代如此發達的科技面前，這類器官應該早就已經被檢測到了。然而事實並非如此，科學家們至今並未在知更鳥的體內檢測到任何可能承擔這項艱巨導航功能的器官或組織。 另外一項與此有關的理論是在上世紀1970年代提出來的，科學家們設想，或許鳥類擁有某種基於量子效應的化學導航器，能夠幫助鳥類指示北方。皮特·霍爾（Peter Hore）是英國牛津大學的一名化學家，他表示這種化學導航器的運作將需要涉及激發態的單電子，以及被稱作「自旋」的量子效應。分子內部的電子一般都是成對的，它們的自旋方向相反，正好可以互相抵消，因而對外部環境不敏感。而一個單電子則自顧自地旋轉，這種旋轉效應無法被抵消。這就意味著它將會與周圍環境之間發生相互作用——比如說地球磁場。

量子效應與地球磁場間的相互作用可能構成了知更鳥的導航器

霍爾指出，實驗已經證明，當知更鳥被暴露於某種特定頻率的無線電波（電磁波的一種）環境下時，它們會暫時性地喪失方位感。如果某種無線電波的頻率剛好與電子自旋的頻率一致，這將引起電子的共振效應，從而使電子的震動更加明顯。但這與鳥類使用化學導航器之間有什麼關係呢？有的。科學家們認為鳥類眼睛後方器官內就存在這樣一些自由電子，其會對地球磁場發生感應。地球磁場的作用會使電子離開其原本在化學導航器中的位置並開始一系列的反應過程，產生某種特定的化學物質。只要鳥類持續沿著同一方向飛行而沒有偏航，這一化學物質的含量就會持續提升。因此，對於鳥類的身體而言，只需要檢測體內這種化學物質的含量就能夠獲取有關方向正確與否，有否出現偏航的信息。這些信息會被釋放，並激發鳥類神經系統做出相應反應，鳥類將會知道自己究竟是在朝著摩洛哥還是西伯利亞方向飛行。 無線電波實驗具有重要意義，因為我們現在能夠大致預期，任何東西，只要能夠與自由電子自旋之間發生相互干擾，應該就能，至少能夠部分地影響鳥類化學導航器的工作。這樣一來，我們也就能夠解釋有些時候有些鳥類突然無法正確分辨方向的現象。

但即便如此，這一理論到目前為止也仍然僅僅是理論，人們還遠未能了解其本質。霍爾一直在運用各種理論上能夠承擔這項工作的分子類型開展相關實驗，希望能夠揭開鳥類量子化學導航器的秘密。這種化學導航器將能夠告訴鳥類，它的飛行方向是否正確 霍爾表示：「我們已經利用一些化合物開展了一些實驗，以便證明化學導航器在原理上是可能的。」這些工作目前已經讓他們圈定了一些候選的分子類型，這些分子類型似乎有可能對地球磁場探測產生作用。霍爾說：「我們目前無法確定的一點是，是否在鳥類的細胞內部發生的反應是與實驗室中完全一樣。」霍爾表示，磁場導航的理論還只不過是鳥類複雜而研究甚少的導航系統中的一小部分。運用量子理論解釋這種導航機制是目前效果最佳的嘗試，但要想真正將鳥類的行為模式與理論化學原理相聯繫，仍然需要做很多工作。