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飛鳥、愛情、量子力學(中)

2015/7/22 — 10:03

Els / flickr

Els / flickr

E: Everest, R: Robin

E: 歡迎回到訪談環節。今天的嘉賓依然是知更鳥 (European robin)。讓我們重溫一下上一節的內容吧!

  • 在 1974 年,科學界普遍接受知更鳥能夠利用磁場判斷方向,而涉及的器官和化學機制依然是一個謎。
  • 同一時期,德國科學家舒爾滕 (Klaus Schulten) 發現一個涉及自由基電子的化學反應的速率受外在磁場影響。 同時他又推測,這可能就是知更鳥感應磁場的方法,不過直至 1998 年才有進一步的線索。

那麼,在 1998 年究竟發生了什麼事呢?

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B: 吱吱,當年生物學家觀察果蠅的時候,發現眼睛缺乏蛋白質 cryptochrome 的樣品無法根據環境光線調節作息。同類的蛋白質亦存在於各種動植物、包括知更鳥和人類的眼球內,其功能都大相徑庭:吸收光線,並調節某生理功能。對(古)人類來說,就是確保可以日出而作,日落而息啦。

舒爾滕讀到關於果蠅的消息後,就意識到這是謎團的突破點。以前他跟諾貝爾化學獎得主戴森霍弗 (Johann Deisenhofer) 交流心得,得知當光線照在跟 cryptochrome 近似的蛋白質上面時,很可能會產生自由基電子。雖然當時候在知更鳥體內還沒有找到 cryptochrome,更不用說沒有證據證明它在光線下會產生自由基電子(!),但舒爾滕依然堅持己見,在 2000 年跟博士生萊茲 (Thorsten Ritz) 發表了論文 [1]

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歷史證明舒爾滕的直覺是正確的:各方在 2004 和 2007 年發表的實驗成果分別消除了上述的兩個疑點 [2]。在 2013 年,年過七十的維爾奇科 (Wiltschko) 夫婦從雞眼抽取出 cryptochrome [5],並展示了cryptochrome能夠吸收感應磁場所需的藍綠色光*。科學家自七十年代以來念念不忘的知更鳥謎團,在這段時間裡終於有所突破。

E: 胡適說過,做學問要「大膽假設,小心求證」。看來,舒爾滕就是這句話活生生的例子。那麼,我們可以談談自由基電子怎樣跟磁場互動嗎?好像是要用到量子力學吧?

卡路斯 · 舒爾滕,1978 & 2009。只要腦袋健全,理論物理學家是不會退休的。來源:University of Illinois at Urbana-Champaign

卡路斯 · 舒爾滕,1978 & 2009。只要腦袋健全,理論物理學家是不會退休的。來源:University of Illinois at Urbana-Champaign

B: 這個嘛 … 吱吱,我只是一隻小小鳥,深奧的量子力學學過已經忘記了。不過,你準備了相關的講稿吧?

E: (把資料攤開,嚴陣以待)好。如果各位看不懂以下的技術細節,不要緊。有些科學家也覺得磁場感應機制不應該涉及怪異的量子力學! 

首先,要知道電子有一種性質叫「自旋 (spin) 」,它的數值和方向決定了電子怎樣跟磁場互動。自旋跟日常生活的旋轉沒有關係,因為數學上將自旋向量旋轉 720 度後(而不是 360度!),才會回到原本的狀態。更奇怪的是,實驗顯示電子自旋在空間只能取兩個值。為了方便想像,我們可以把電子當成一小塊條狀磁鐵,而磁鐵只可以指向「上」或者「下」。

電子自旋只可以在空間取兩個值。雖然不應該把它想像成旋轉的小球,但篇幅有限,解釋少了只會誤導大家。圖片來源:余海峯 David | 物理喵 phycat

電子自旋只可以在空間取兩個值。雖然不應該把它想像成旋轉的小球,但篇幅有限,解釋少了只會誤導大家。圖片來源:余海峯 David | 物理喵 phycat

在化學分子裡面,電子通常是成雙成對的,兩者擁有同樣的能量和相反方向的自旋。這是因為所謂的「包立不相容原理」**。如果我們把這兩粒電子分開——例如,用光能量將電子擊出——那麼,不相容原理對自旋的限制也就解除了:被擊出的電子跟留在原地的同伴,兩者可以擁有平行或相反的自旋,並隨著時間在兩個狀態間轉換。

(用量子力學的術語來說,兩粒電子的自旋處於 singlet 和 triplet 的疊加態,並根據外在磁場的哈密頓算符隨著時間演變。)

根據舒爾滕和萊茲,現在有兩件事可能發生:被擊出的電子回到同伴身邊,或是被化學反應帶走;實際結果取決於自旋的組合 [4, 6]。如果自旋是平行的話,化學反應就可以發生,反之亦然。由於磁場會跟電子的自旋互動,這對電子停留於自旋平行或相反的時間,其實取決於外在磁場。如果知更鳥不是向磁極飛行,自旋在較長時間內會保持平行 … 

R: 吱吱!然後,化學反應透過神經把訊號傳達我們的大腦,知更鳥就感覺到自己的方向了。

E: 各位,這就是知更鳥感應地球磁場的方法。藍綠光照到知更鳥眼內的 cryptochrome ,將眾多電子的一員擊出,而接住發生的就如剛剛所講的啦!咦 … 你這個鄙視的眼神是什麼意思?

R: 吱,先不要自 high 。其實沒有人類確實知道偷走電子的是什麼化學反應。更不用說,知更鳥怎樣將磁場產生的化學訊號轉換成神經系統訊號,這依然是個謎。下一次,也就是最後的一次訪談的時候,我們討論一下解釋磁場感應的各種假說的優劣吧。(華麗轉身,飛走)

E: 好。我們也會把舒爾滕請上來,聽聽他對不同假說的看法***。今天的節目到此為止,下次見!

注:
* 維爾奇科夫婦和同行在 90 年代的一系列實驗裡面 6,展示了不同的候鳥在藍綠波長的單色光線下依然會根據人工磁場判定方位,行為跟在白光下沒有分別。相反在紅光下,雀鳥就不會聚集在磁場的任何一端。在 2001 年,夫婦兩人在565 納米的綠光下觀察知更鳥後,也作出了同樣的總結 3

**  根據包立不相容原理,電子不可以處於相同的物理狀態。因此,如果兩粒電子擁有一樣的能量,那麼它們的自旋一定是相反的。

*** 認真,科學家本人上陣。

參考或引用資料:

[1] T. Ritz, S. Adem, and K. Schulten, Biophys J 78, 707 (2000). 原文 PDF

[2] M. Liedvogel, K. Maeda, K. Henbest, E. Schleicher, T. Simon, C. R. Timmel, P. J. Hore, and H. Mouritsen, PLoS ONE 2, e1106 (2007).

[3] W. Wiltschko, M. Gesson, and R. Wiltschko, Naturwissenschaften 88, 387 (2001).

[4] D. Castelvecchi, “Magnetic Sense Shows Many Animals the Way to Go”, Scientific American (2012).

[5] C. Nießner, S. Denzau, K. Stapput, M. Ahmad, L. Peichl, W. Wiltschko, and R. Wiltschko, Journal of The Royal Society Interface 10, 20130638 (2013).

[6] D. A. Kishkinev and N. S. Chernetsov, Biol Bull Rev 5, 46 (2015).

[7] U. M. Wolfgang Wiltschko, Nature 364, 525 (1993).

轉自作者博客;作者 Facebook Page 專頁

 

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