“深耕科技前沿动态，解读科技背后真相，瞄准科技产品评价”
最近有消息称，UCLA建立了美国第一个量子生物学中心。在此之前，英国、德国、韩国、丹麦、日本等国家也已经成立了量子生物科学研究学术中心。但目前国内还没有专门的量子生物学研究机构。为什么这些国家开始重视量子生物学研究？本文将为您解读这一科技前沿领域。
“量子与生命的关系”
所有的生命系统都是由微小的分子组成的，分子的性质是用量子力学来描述的。那么，量子现象在生命的过程中起作用吗？研究表明，量子相干在光合作用、酶催化反应中的量子隧穿以及候鸟感知地球磁场中的量子纠缠中起着基础性作用。然而，跨过尺度阶梯，量子生物现象是在纳米尺度上悄然发生，还是也能在宏观上为生物提供选择优势？对探索大脑意识的产生和生命的起源有什么启示？
生物系统是动态的，不断与环境交换能量和物质，从而保持与生命同义的不平衡状态。观测技术的发展使研究人员能够在越来越小的尺度上研究生物动力学。这些研究揭示了经典物理学无法解释的一系列生物过程中的量子力学效应的证据。量子生物学就是研究这种过程的。本文概述了这一领域的现状，并展望了未来的发展方向。
所有的生命系统都是由分子组成的，基本上所有的分子都用量子力学来描述。但传统上，量子力学所描述的系统与生物学所研究的系统之间巨大的尺度差异，以及有生命和无生命看似不同的本质，使得两种知识体系始终存在一定的差距。最近，随着超快光谱、单分子光谱、时间分辨显微术和单粒子成像等实验技术的发展，研究人员已经能够在越来越小的分辨率和时间尺度上研究生物动力学。它们揭示了生命系统的功能所必需的各种过程，这些过程取决于量子和经典物理效应之间的微妙相互作用。换句话说，量子生物学可以将量子理论应用到经典物理学无法精确描述的生物学方面。
“什么是量子生物学？』
就目前的范式而言，生物学在将经典模型应用于生命系统方面取得了广泛的成功。在大多数情况下，分子尺度上微妙的量子效应对整体生物功能并不起到决定性作用。在这里，“功能”是一个广义的概念。比如:视觉和光合作用是如何在分子水平和超快时间尺度上起作用的？由相距约0.3nm的核苷酸分子堆叠而成的DNA是如何应对紫外光子的？酶是如何催化重要的生化反应的？我们的大脑是如何利用亚纳米尺度组织的神经元处理如此惊人的信息量的？DNA复制和表达是如何工作的？当然，所有这些生物功能都应该放在进化适应性的背景下来考虑。在这些情况下，经典近似和量子力学模型之间的差异通常被认为是可以忽略的，即使在此基础上，每个过程也完全受量子力学定律的支配。在量子和经典领域的模糊边界会发生什么？更重要的是，有没有一个基本的生物学功能“看起来”很经典，但实际上并不如此？量子生物学的作用就是揭露和解开这种联系。
从根本上说，所有物质——有生命的或无生命的——都是量子力学的，由离子、原子和/或分子组成，其平衡特征由量子理论精确确定。因此，可以说所有的生物学都是量子力学。然而，这个定义并没有解决生物过程的动力学性质，或者分子间动力学的经典描述通常似乎是足够的。因此，量子生物学应该根据所用模型的物理“正确性”和特定生物过程的经典模型与量子力学模型解释力的一致性来定义。
量子生物学的未来
目前，量子力学描述是必要的，以充分表征相关子系统的行为。虽然在宏观的时间和长度尺度上很难观察到量子效应，但这个过程一般是需要的。因此，生物体的功能和生存似乎取决于分子间尺度的动态量子力学效应。量子生物学研究这些时间和长度尺度之间的相互作用，目的是建立一个一致的物理图景。
对量子生物学的巨大希望可能包括对生命的定义和理解做出贡献，或者对大脑和意识的理解做出贡献。然而，这些问题和科学本身一样古老，更好的方法是问量子生物学是否可以贡献一个框架，在这个框架中，研究人员可以通过这样的方式解决问题，以获得新的答案。对量子物理学和经典物理学之间有效运作的生物过程的研究有助于改善这种量子到经典转变的物理描述。
更直接地说，量子生物学有望为生物启发的量子纳米技术提出设计原则，例如能够在室温下的嘈杂环境中在基本水平上有效地执行，甚至利用这些“嘈杂环境”来保护甚至增强量子特性。通过设计这样的系统，可以测试和量化量子效应在多大程度上可以增强生物学中发现的过程和功能，并最终回答这些量子效应是否可能是在系统设计中有目的地选择的。然而，重要的是，量子生物启发的技术在本质上也可以独立于启发它们的有机体而有用。
