物理如何連結到生物學？量子生物學（Quantum biology）就是一個很好的例子！量子生物學可自 1944 年薛丁格（Erwin Schrödinger）提出的〈生命是什麼（What Is Life？）〉一書作為開端。書中提出的遺傳物質為有機分子及其特性之描述，開啟了分子生物學的進程，對 1953 年華生（James D. Watson）與克里克（Francis H. C. Crick）提出 DNA 雙股螺旋結構等發展有相當的影響。此外，薛丁格也試圖引入量子力學及熵（entropy）的概念來探討生命系統中的交互作用。今日，量子生物學主要著重於生物體中化學反應，如光合作用、酵素的機轉等，以及生物磁感性（magnetoreception）等研究，嘗試從更微觀基礎的層面來研究生物現象。
在量子力學中，物質與能量其實都具有波粒二象性（wave-particle duality），也就是擁有粒子及波動的特性。因此我們可以用波函數（wave function）來描述物質的狀態。若兩個波函數間相對相位恆為定值，則稱為同調（coherence），此時兩者產生的干涉是穩定的。
另一個概念為自旋（spin），為粒子具有的性質之一。就如運動中的電場會產生磁場，帶電且自旋的粒子可具有磁偶極矩（magnetic dipole moment），因此可以和環境中的電磁場產生交互作用。
一般認為這樣的量子效應無法在生物體這般複雜且濕熱的環境下存在，但近年來卻陸續發現生物的光受體（photoreceptor）、鳥類的導航與晝夜週期的機制可以用量子力學來解釋。
量子同調性在生物體內的發現最出名的例子之一為光合作用。綠硫菌（green-sulphur bacteria）的光捕獲裝置（light-harvesting apparatus）含有 Fenna-Matthews-Olson（FMO）複合體，可將吸收的光子轉換成電子激發態，最後到達反應中心，並將收到的電能轉為生物所需的化學能。FMO 複合體為色素蛋白質複合體，每八個 BChl-α 分子為一個色素蛋白質（pigment-protein）單元，最後組成三聚體（trimer）的構造。研究顯示 FMO 複合體可在短時間內將所有吸收的光子能量傳送到反應中心（效率〜100%），科學家們試著想解釋為何 FMO 有如此的高效能。2007 年 Engel 團隊研究發現，色素蛋白質單元中，激發電子的傳遞過程具有量子同調性；2008 年 Mohseni 進一步提出此狀況下蛋白質提供了合宜的環境，使得激發電子能在還沒以其他方式消散能量（如螢光）前，完整的傳遞至反應中心。而同調性在更複雜的高等植物系統中是否也扮演類似的角色？就有待進一步的研究。
另一個例子為鳥類的導航系統。有些鳥類，如知更鳥遷徙時會利用磁感（magnetoreception）的能力定位。Schulten 等科學家以量子力學中電子自旋的基礎提出離子對（radical pair）模型：知更鳥使用一種在視網膜的光受體 cryptochrome ，它的電子受到光子激發而轉移、產生離子對。由於自旋的緣故，被激發的離子對最終會以單重態（singlet state）或三重態（triplet state）的形式存在，且兩者的比例可隨著磁傾角的變化而改變，因此知更鳥可在飛行時藉此判斷方向。然而，離子對模型發展的瓶頸為缺乏生物上的直接證據，還有其自旋及同調性如何維持夠長的生命期不衰退，以對微量的外磁場變化做反應？但現行仍沒辦法有個解答。
量子生物學發展至今，如上述兩個研究來看，雖然在物理學上理論及實驗已有很多發現，但相關的技術上（如：如何模擬生物上的光捕獲裝置，增長量子同調的時間等）及生物體內（in vivo）的狀況仍有需多待解決的問題，但它不僅讓我們見識到如何從更微觀的角度去看待科學，也看到科學是如何互相連結、相輔相成。
圖片來源：doi:10.1038/474272a
參考資料：
- Lambert, N., Chen, Y., Cheng, Y., Li, C., Chen, G., & Nori, F. (2012). Quantum biology. Nature Physics, 9(1), 10-18. doi:10.1038/nphys2474
- Quantum Biology Reviews. (n.d.). Retrieved from http://www.ks.uiuc.edu/Publications/Stories/quantumbiology/
