医疗的底层藏着量子规律？

本文来自微信公众号： 世界科学 ，作者：编译 蒋笃绘

如果有人问：生命最最最底层的运行规律是什么？21世纪的你我大概会异口同声“量子力学”。在现有科学体系里，一切事物的最最最本质当然都是量子。

不过我们也明白，科学家在生命世界里探索的量子层次仍极为肤浅，比如“量子力学解释原子如何结合形成分子”这样距离生命现象十万八千里的最基础层级；再高些的层次可触及“量子隧穿效应帮助植物酶找到结合位点”，但这还是不够深刻。

量子生物学家希望找寻叠加态乃至纠缠态这些高层级量子效应对生命的直接、显著影响，例如“鸟类眼睛内的某种蛋白质会因受到光照而形成进入特殊叠加态的电子对”。

试想，如果量子原理能用于清晰而直接地指导光、磁、电场治疗，人类的医疗保健会不会打开全新领域？试想，如果量子生物学研究表明“大脑中淀粉样蛋白纤维的堆积是一种针对代谢应激导致的有害紫外光子的防御”，我们对于疾病的认知会不会打开全新范式？

生命是否通过量子效应

对光、电、磁疗法产生反应？

近些年，有部分临床研究提示了光照与电磁场照射的健康益处，例如：促进伤口愈合以及治疗痤疮、脱发乃至癌症等疾病。

如果电与磁能用作“治疗”，那就意味着生物体能对电和磁产生某些反应。虽说诸如“紫外线光疗治斑秃”“肿瘤治疗电场效果好”之类的科学成果无法揭示其“作用原理涉及量子力学”，但至少有多项平行实验的结果告诉大家：生命可能一定程度上通过量子效应对电和磁产生反应。

如果我们在心里默认这种量子效应的独特存在，那么另一个长久以来的争论可能要向某一边倾斜。那个争论由埃尔温·薛定谔引出：量子效应十分微妙且脆弱，相比之下，生物体似乎太过温热、潮湿和混乱，以至于量子效应对生命的影响无足轻重？还是说，它其实暗藏着妙不可言的影响力？

加州量子生物学研究所的克拉丽斯·艾埃洛(Clarice Aiello)表示：“学界始终无法就此疑问做出明确证实或否定，而这也正是我们研究的核心问题。如果量子态能于活细胞内持续足够久并产生实际作用，我们或将拥有一种全新的医学手段，用以补充，甚至在某些情况下替代药物治疗。”

无论是活细胞还是无生命的化学品，所有物质和能量本质上都是量子化的。宏观尺度下，它们表现为连续的整体；若深入微观世界，量子效应就会显现。

通俗地说，量子效应就是经典粒子和经典场无法解释的现象。其定义的涵盖范围很广，可以关乎分子的存在，也能触及纠缠(两个粒子表现为一个相互关联的整体)等奇特现象，还可能支撑起生物体内的某些非凡现象，激发数十年前帕斯夸尔·约尔当(Ernst Pascual Jordan)、埃尔温·薛定谔、尼尔斯·玻尔等学者追寻“量子生物学”。

要理解量子效应，应当先了解量子世界的基本图像。从量子层面看，我们通常认知中的粒子，更像是由波函数描述的、弥散开来的可能状态云。波函数是一种数学公式，定义了当粒子被观测并被迫“选择”仅以一种特定方式存在时，处于该特定状态的概率。

然而，也正因量子概念无比广阔，如今作为一门学科领域的量子生物学仍存在界定上的模糊。生命的底层是化学，而穿过化学层层还原，将触及量子世界。如果“只要遇事不决就搬出量子力学”“一解释化学反应就牵涉量子效应”，岂不是所有“生物学”皆可归为“量子生物学”？

如此定义便毫无意义。用普林斯顿大学的格雷戈里·斯科尔斯(Gregory Scholes)的话说：“量子生物学可不是收容所有未解概念的大箩筐。”

为梳理混乱，艾埃洛将量子生物学划分为不同层级。

艾埃洛的量子生物学层级划分体系

在最基础的层级上，量子力学解释原子如何结合形成分子。艾埃洛打趣道：“没错！所有生物学本质上都是量子的！但这只作为一个层级，且并非我关注的重点。”

相比最基础层级再高一级的量子现象则源于所涉及粒子的尺度极小。

举例来讲，量子隧穿效应使得质子、电子等微小粒子穿越经典力学视角下粒子无法逾越的能量壁垒。粒子越小，隧穿效应越容易发生。此外，科学家已证实，量子隧穿效应有助于植物酶(加速生化反应)找到结合位点。

斯科尔斯指出：“这些无疑都是量子效应，不过普罗大众心中的量子生物学必定远不止于此。”

继续向上分级，就来到了艾埃洛等人关注的量子生物学问题所在的层次，涉及由长寿命量子态产生的更为复杂的量子现象，这些现象不仅仅源自极小的粒子尺寸，其关键在于叠加态，即量子物体可同时处于多种可能状态的组合之中。

通俗地说，观测前的该物体就是前文介绍的那团“可能状态云”，既以A%的浓度落在A处，又以B%的浓度位于B处，还以C%的浓度身处C处……一旦观测，这团云瞬间缩成一个点，而观测前云团在哪里的浓度最高，观测后单点落在哪里的概率最大。处于叠加态的量子态会相互干涉，如同水波或声波叠加，彼此增强或抵消。

经典双缝实验可直观解释叠加态：若向一个带着两条狭缝的屏障发射粒子，粒子会处于多种可能状态的叠加态，仿佛同时穿过两条狭缝。但当你选择观察它，叠加态便坍缩了，你只会看到粒子穿过一个狭缝，干涉现象也随之消失。

纠缠态比叠加态更复杂，要求至少两个量子粒子相互作用，使它们的波函数相互关联。粒子纠缠后，即便二者相隔万里，也可通过观测其中一个粒子的状态，确定另一个粒子的状态。

量子生物学家曾对这些更高层次的量子效应抱有希望、又感到失望。以光合作用为例，该机制的惊人效率一度被认为依赖于叠加态，但后来研究者发现，其涉及的量子物理更为微妙，在艾埃洛分级体系里介于叠加态与隧穿效应所在的层级之间。光合作用依赖一种“准粒子”，即声子。它们携带分子振动能量，帮助捕光蛋白高效传递吸收的太阳能。

另一方面，有可靠证据表明，高层级量子效应可能在生命活动中发挥作用。例如，候鸟被认为利用叠加态感知地球磁场以进行导航，而该过程涉及一种量子特性，即能与磁场相互作用的“自旋”：

鸟类眼睛内所含的特殊蛋白质隐花色素，在受到光线照射时，会有成对电子被激发，进入特殊的量子态——“自旋方向相同”与“自旋方向相反”这两种可能性的叠加态。

处于叠加态时，电子与地球磁场相互作用，改变自旋方向相反或相同的概率。隐花色素的化学反应会随自身状态变化，从而将磁信号转化为化学信号——可以认为这是种只能靠叠加态来工作的“量子内置罗盘”。

综上，我们大致了解了艾埃洛构建的量子生物学层级体系。那么，本文开头提到的光电磁的治疗，或者说“光疗法”(light therapies)，可以归入量子效应的哪一层？

光照治疗的起源和进展

光疗法起源于19世纪末，彼时有位罹患罕见代谢疾病的丹麦医生尼尔斯·吕贝里·芬森(Niels Ryberg Finsen)发现，阳光能缓解自身症状，后来便将光照引入临床，利用紫外线光束治疗皮肤病。这项突破性工作让他获得1903年诺贝尔奖。遗憾的是，芬森在1904年英年早逝。

诺贝尔奖委员会曾表示光疗法“为医学开辟了新道路”，不过这条道路长久以来鲜有人涉足。直到近些年，越来越多研究声称，光可用于生发、降血糖、缓解抑郁、促伤口愈合、加速中风康复、延阻阿尔茨海默病甚至是治疗勃起功能障碍。

某些类型的光疗法可归为“光生物调节疗法”，其效用已获得更为扎实的证据支持。例如，弱激光成为了治疗口腔黏膜炎(部分癌症治疗可引发该口腔炎症)的标准疗法。

部分学者认为，光疗有效是因为特定波长的光能刺激线粒体内的特定光敏蛋白，而线粒体负责细胞内多项重要功能。不过，从刺激线粒体到诸如生发之类的疗效，中间有诸多未知环节。另外，法国索邦大学光生物学家玛格丽特·艾哈迈德(Margaret Ahmad)指出，光疗法的实际效果不太可能单靠某一种蛋白质实现。

斯科尔斯推测，在量子效应层级划分体系里，光生物调节疗法只于低层次发挥作用，或最多达到与光合作用相当的“介于叠加态与隧穿效应所在级之间”的中等层次(甚至可能只属于普通化学反应)。事实上，斯科尔斯与同事正尝试证明，由大量相互作用部分组成的经典系统(如生物体)，有时无须涉及真正的量子物理学，也可模拟量子效应。

基于电场和磁场的疗法

是否连接着高层级的量子效应

专注可见光及近可见光的光疗法已有百年历史，相比之下，基于电场和磁场的疗法属于新兴领域。

新加坡科学家正开发一种磁疗法，旨在将其用作乳腺癌化疗的辅助治疗。此外，美国、加拿大、欧盟和日本批准了一款名为Optune的设备用于特定脑癌和肺癌治疗，设备工作原理基于快速交变电场。多项临床试验证实Optune有效性，但不少医学界人士对相关证据持怀疑态度，患者群体也担忧治疗存在副作用或影响生活质量。

磁疗法是否涉及高层次量子效应？有更充分的论据支持肯定答案。一方面，关于候鸟利用地球磁场导航的大量研究可提供实证；另一方面，基于类似磁疗法原理而开发的人工量子传感器就摆在世人眼前。

艾埃洛认为，磁疗利用的量子机制很可能涉及处于叠加态(前文介绍的较高层级)的自旋配对。

不过换个角度分析，磁疗法也可能与量子力学毫无关联，不具备真正意义上的量子性，而仅仅是光电磁手段的经典作用结果。

英国谢菲尔德大学分子生物学家卡勒姆·琼斯(Callum Jones，曾参与Optune设备制造商资助的项目)表示，Optune设备的作用机制完全符合经典物理原理。交变电场会扰乱细胞分裂相关蛋白质丝的电场，而癌细胞分裂速度远快于健康细胞，因此更易受影响。

上述种种基于光、磁、电场的疗法，都已取得远超理论进展的实践成果，而实践的成功来自四处摸索、反复试错，其中缺乏统一标准。如艾哈迈德所言，治疗剂量的微小调整，比如将光照时长从5分钟调至10分钟，都可能导致显著疗效归零。

以艾哈迈德的一项发现举例：在人类细胞培养物中，特定剂量的光能减轻诸如重度新冠病毒感染、败血症等问题引发的急性炎症；不过只要光照剂量偏离正确值，光疗就无效了。

由于光疗原理不明，相关研究往往引出更多疑问。艾哈迈德表示：“如今的挑战是探明作用机制，以求精准、可靠地应用这类疗法。”

量子生物学视角下的

疾病认知新范式、治疗新方法

2024年，美国霍华德大学量子生物学实验室的首席研究员菲利普·库里安(Philip Kurian)撰文介绍了一种似乎依赖量子纠缠的奇特现象。作者团队通过生物分子(而非活细胞)实验发现，当色氨酸网络依托于微管结构时，其表现得就像一种集群式的量子光纤网络。

这些“巨型网络”处于纠缠态，如同一个巨大、分散的量子整体。单个色氨酸分子会吸收紫外光子，并以低能量波长发出荧光；但若组成量子集体，分子们便不再各自闪烁，而是同步闪耀荧光——发光过程大大加快。

某些细胞代谢过程(尤其当细胞应激时)会自然释放紫外光子，紫外光子则会破坏生化反应。库里安认为，此种“超辐射”(superradiance)效应能高效吸收紫外光，保护细胞。基于此，不妨进一步推测：包括神经元在内的细胞，或可利用超辐射效应，以远超神经元间化学信号传递的速度来传输信息。“经典神经科学从未关注这片广阔的量子领域。”

库里安将上述关于“色氨酸网络”“超辐射”的知识视作医用的宝库。在他看来，深刻理解现象背后的机制，将创造针对阿尔茨海默病的新疗法。与微管类似，阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白纤维表面也布满色氨酸。库里安团队近期的理论计算表明，相较于微管上的色氨酸网络，淀粉样蛋白上的色氨酸网络吸收紫外光的能力更强。

团队据此做出推测：或许，大脑中淀粉样蛋白纤维的堆积，不应只被视作致病因素，这本质上是一种防御反应，旨在应对代谢应激细胞释放的有害紫外光子！若认可此推断，那也就不难理解为何旨在分解淀粉样纤维的阿尔茨海默病药物疗效有限。

退一万步说，即便库里安等学者探究的效应被证实并非高层级的量子生物学现象，那些试管实验和临床研究中出现的奇特迹象也足以令人畅想未来——用光、磁、电场来治疗疾病与调节健康的“量子疗”未来。

相较于以药物生物化学为内核的传统疗法，依托量子生物学原理的光磁电医疗手段可谓全新范式，将引领我们的健康认知进入至生命最深处的物理法则。

当然，新路多阻。

实践层面的障碍是一方面，如艾哈迈德所言，相关临床试验成本高昂，而制药企业又没动力去研发材料廉价、技术简单、难获专利的疗法。

更为关键的是，量子生物学本身面临艰巨挑战，即证实高层级量子效应的确在生物过程中发挥实际作用。艾埃洛指出，迄今唯一被确证能显著影响活细胞的量子生物学层级，仍停留于化学的基础层。她与同事希望开展更多工作，设计足够灵敏的仪器用以捕捉活细胞里微弱的磁场。

资料来源：

Can we harness quantum effects to create a new kind of healthcare?