量子科学是一个广泛而深入的领域，主要研究微观世界中粒子行为及其相互作用，在微观世界中取得了辉煌的成功。

量子生物学医学是利用量子理论来研究生命医学的一门学科。包含利用量子力学研究生物过程和分子动态结构和能量转移，在量子生物化学和光合过程的量子研究已得到了一些重要的结果[1]。此外，实验和理论的发现都支持酶促反应、量子大脑动力学包含量子穿隧机制，同时也发展出了很多量子技术。近期还有关于量子与意识和宗教的讨论。薛定谔早在1944年的著作《生命是什么》成功预言了量子生物学到来的时代[2]。

图1、薛定谔和他1944年著作《生命是什么》

《生命是什么》可归纳为三个问题：

1、生命的维持和延续‌：

书中通过热力学和量子力学理论解释了生命的本质，引入了非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式突变等概念，说明有机体物质结构、生命的维持和延续等现象。这些概念和理论为分子生物学的诞生奠定了基础，并直接启发了DNA双螺旋结构模型和基因调控的操纵子学说的提出。

‌2、遗传和变异‌：

书中探讨了遗传信息的传递和遗传机制的运作，提出了关于遗传信息传递的革命性观点。这些观点为理解遗传和变异及对遗传密码的解读，提供了新的视角，对分子生物学领域的重要贡献‌。

‌3、生命的本质‌：

深入探讨了生命的本质，提出了“遗传密码”等观点，这些观点为生物学领域带来了革命性的变化。书中通过物理学和化学的理论来解释生命现象，为跨学科交流提供了典范‌。

一、量子生物化学和光合过程

植物是非常神奇的！比如，一棵树从小树苗长成参天大树，完全是靠二氧化碳的光合作用，换句话说，树一棵树完全是空气变的，从土壤里吸收的是水分！光合作用把二氧化碳变成了碳和氧气，氧气释放出去了，碳自己留下了！，为人类及所有生物提供食物和氧气。树是不是很神奇？光合作用就是叶绿素捕获光子，光子把镁原子的一个电子轰击离开原位，由于静电力和引力电子没有逃逸，只是远离质子，形成带正电的空位，与远离的电子组成一个带正负极的激子，这个激子被运送到反应中心把能量转化为化学能给植物！反应中心要经过无数叶绿素，按理说能量消耗巨大，但是实际上光合作用能量损耗几乎为0，这是怎么做到的？最有可能的就是叶绿素在光合作用传输激子中发生了量子遂穿，让能量直接到达反应中心！量子遂穿把能量存入空间，通过某种密码再取出能量！光合作用的反应中心可以把水分子分解成氢原子和氧气！

图2神奇的光合作用

三、量子遗传学

薛定谔1946年提出了用量子理论研究遗传系统的需求和研究量子遗传学的应用。新近关于转录的研究与转录酶对于相干态双链DNA的量子信息处理是一致的。遗传学领域，DNA的复制和修复过程是确保生物体正常发育和遗传信息稳定传递的关键，这些过程通常被视为纯粹的化学和分子生物学事件。但是，近年来的研究表明量子力学，特别是量子隧穿效应，在DNA突变和修复中发挥了重要作用，允许粒子穿越一个看似不可逾越的能量势垒。这意味着，在DNA结构中，某些电子和质子可以在没有传统所需能量的情况下，跨越分子间隙，从而导致化学键的形成或断裂。这种现象解释了在没有足够能量驱动的情况下，DNA分子如何进行某些特定的突变或修复。将量子力学原理应用于生物遗传学，可以更好地解释一些基本的生物现象，如生物遗传信息的储存和传递。

四、量子大脑

根据量子大脑动力学理论，占大脑70%的水分子有两个电极，构成了量子场，称为皮层场。皮层场中的量子被称为皮层子。皮层场和生物分子产生的量子相干波相互作用，在神经元和神经网络中传播。量子大脑认为皮层场不仅互相作用，而且会扩展到对整个神经网络的控制，生物分子波沿着肌动蛋白纤维在细胞膜区域和神经树突细胞传播，波从存储于细胞膜中的ATP（三磷酸腺苷）分子中获得能量，控制离子通道，反过来控制信号流向神经突触。量子大脑动力学不需要将量子震荡持续到退相干，还认为意识并非由某种确定的途径所产生。在神经网络中，皮层场和生物分子波的能量量子之间的相互作用产生了意识。另一方面，量子大脑中的量子状态产生了两极，一极是主观的外部世界的表现，另一极是自我。这一自我向外部世界表现开放。根据该理论，意识既不是自我，也不是外部世界表现，而是处于开放的二者之间[3]。

五、量子生物技术

量子生物技术是以量子物理为基础的新型技术，可用于研究生命过程中的量子现象和生命的复杂行为。例如，量子纠缠现象被用来进行信息传递，量子计算机被用来破译生物大分子的结构，用于各种生物学和医学研究之中。下面仅举量子生物传感、电子自旋共振（ESR）和核磁共振（NMR）技术在生物医学中的应用三个例子。

1、量子生物传感

量子生物传感利用量子力学的特性，如量子隧穿、量子纠缠等机制，可以提高生物传感器的灵敏度和检测速度。量子生物传感技术在生命科学、医学等领域有着广泛的应用。近期量子传感在生物医学方面的发展极为迅速，主要体现在利用原子磁传感器对人体器官生物磁场信号的探测，以及基于此而形成的疾病诊疗等应用[4]。

人体器官的功能活动伴随着生物电现象，电流或时变电场必然伴随着磁场信号。因此，人体器官的生物磁场信号反映的是器官的功能活动。生物磁探测技术兼具高空间分辨率、高时间分辨率，能够与现有的医学影像技术有效互补。尤其在功能活动的源定位方面，生物磁探测技术具有极为显著的优势。生物磁探测技术已历经近60年的发展历程，早期的生物磁探测技术主要利用超导干涉磁力仪，在临床应用方面已初具规模。近些年，以基于原子气室和金刚石NV色心为代表的原子磁传感器为生物磁信号检测提供了全新的可能性。原子磁传感器在具有与超导磁力仪的磁探测灵敏度，还兼具在地磁条件及常温下的磁场探测能力，为运动情况下的脑磁、心磁等生物磁特性测量提供了全新手段。

对人体生物磁性的监测和成像有助于诊断和治疗，可检测到并可用于研究脑损伤和脑部疾病，如癫痫 和痴呆症等。 

图2、a)可穿戴式量子生物传感器原型。b)在球赛和休息时记录的Beta波段振荡频率谱图（左）和振幅（右）。c)带有63个传感器支架的灵活可穿戴生物传感器盔。D)多个传感器的叠加数据，显示滤波后的背景脑活动和发作间期癫痫样放电(IED)。e)在环境条件下使用87Rb磁梯度仪测量的生物传感器磁心动图。

2、电子自旋共振在生物医学中的应用

电子自旋共振(ESR)是典型的量子科学及电子自旋共振(ESR)的共振条件和超精细分裂常数等重要参数都是量子力学推导出来的（已在前面发布的文章在详细论述，这里就不累述了）。ESR波谱仪研制成功开始了ESR新时代，并引入生物学的领域之中。生物学家在一些植物与动物材料中观察到有含有不成对电子自由基存在。随着仪器不断改进和技术不断创新，ESR技术已在生物学、生物化学、医学、等许多领域内得到广泛的应用[8-10]。在生物与医学中的应用主要是研究生物自由基分子上的未成对电子的生物功能及其在生物与医学在应用[5-7]。

图3 ESR技术在生物学和医学应用的两本著作

在这两本著作ESR的研究内容包括了：

利用ESR技术检测生物体内产生自由基的机理，在细胞膜的结构研究中的应用、在蛋白质的结构和动力学研究中的应用、研究DNA/RNA的结构和动态特性、用于抗氧化剂的筛选和研究、在药理学研究中的应用、在神经退行性疾病和衰老研究中的应用、在老年痴呆症的分子机理及尼古丁预防老年痴呆症研究中的应用、在心脏病研究中的应用、在辐射损伤和治疗研究中的应用、ESR在肥胖症和糖尿病研究中的应用、在植物光合作用研究中的应用及ESR在植物及植物免疫反应研究中的应用。

  A                                                         B

图4. A.多形核白细胞得到的自由基ESR波谱。B. MGD捕捉巨噬细胞产生的一氧化氮自由基

                      A                                              B                           C              

图5. A. ESR成像系统。B、C. 小鼠体内产生的一氧化氮自由基ESR成像。

3、核磁共振技术在生物医学中的应用

核磁共振(NMR) 是非零自旋的原子核在外磁场作用下，吸收特定频率电磁波而发生能级跃迁的过程。非零自旋的原子核具有磁矩，在外磁场作用下其自旋能级发生塞曼分裂。不同的原子核，核自旋运动的情况不同。NMR的共振条件和化学位移等重要参数都是量子力学推导出来的。NMR有关NMR的研究领域曾在三个领域（物理学、化学、生物学和医学）内获得了6次诺贝尔奖，足以说明此领域及其衍生技术的重要性[8]。

NMR可以研究生物分子的结构，核磁成像（NMRI）技术已经广泛应用与医学领域， NMRI检查已经成为一种常见的影像检查方式，不会对人体健康有影响，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。

           A                                                                     B               

图6.A： NMR成像系统。B：脑的NMR成像。

4、应用前景

量子科学在生物医学、环境保护和食品安全等领域有广阔的应用前景。在医学方面，量子生物学的研究可以帮助人们更深入地探究疾病的本质，并开发更加精准的治疗方法。例如，利用量子生物传感技术可以实现对生物分子的快速检测，从而早期发现肿瘤等疾病，并进行精准治疗。利用ESR技术检测生物体内产生自由基的机理及与各种生物功能和疾病的关系，NMR研究生物分子的结构，特别是 NMRI技术应用于医学领域，大大推动了人体影像检查方式。这些研究不会对人体健康有影响，对医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展将做出非常的的贡献。

展望未来，随着量子科学在生物学研究的不断深入，相信在更多领域中，科学家和研究者们会不断发掘和创造出更多的应用场景和解决方案。将推动人类更好的认识生命、理解宇宙中更为玄妙的科学问题，并在这样的认知框架下为人类的可持续发展和福祉不断贡献智慧和力量。

六、量子生物学与意识

量子生物学的研究不仅可以揭示生命的本质和奥秘，还可以探索生命现象背后的意识机制，可以解释一些生命现象，如表面微观量子物理学与宏观现象之间的关系可能为深入了解意识和意识现象提供新的途径。研究表明，量子纠缠可能是生命的重要机制，它将生命系统的所有部分连接在一起，形成一个具有意识现象的整体。一些科学家甚至认为，意识是生命系统中的量子纠缠状态，即物理过程的量子力学现象和神经元之间的连续相互作用[9]。

由此可见，量子生物学和意识的研究不仅有希望揭示生命现象的真正本质，还可以为人们提供更深入地理解意识现象的新方法和途径。但同时，这也是一个非常具有争议的领域，因为意识和量子效应两者之间的联系还没有被证实，而且理论和实验研究需要更多的支持和继续深入研究。

许多实验力图证明神经过程与量子状态有关，证明人类在感知和认知模糊数字的过程中，其精神状态中存在量子相干效应，并取得了证据，为分析认知主体的时间动力学提供了理论支持。但是这方面的研究还很欠缺，需要更多的实验验证。

七、量子科学与宗教

近些年流行的两篇“某院士”的文章，一篇是谈弦论与佛学的关系的，标题是《物理学步入禅境—缘起性空》。还有有一篇题为《客观世界很有可能并不存在》，这篇文章对普通人的影响很大，争论也很多。

量子世界观和佛教世界观是否相似？量子力学是否支持人类灵魂的存在？量子力学是量子力学，佛学是佛学，从哲学的角度探讨两者之间的相似性是可以的，但两者是独立的。古代神学是怎么产生的呢？就是因为搞不清楚天为什么会下雨，打雷闪电，等自然现象，就认为是神的作用。现在一些“院士”搞不懂的问题又归因为玄学和神了！我个人认为量子力学并不支持灵魂存在，更不支持灵魂是不朽的。

参考文献

1． W.G. Cooper, Evidence for transcriptase quantum processing implies entanglement and decoherence of superposition proton states. BioSystems, 97, 73–89, 2009.

2． Khrennikov AY：What is Life？Open Quantum Systems Approach.Open Quantum System in Biology, Cognitive and Social Sciences. First Online，）4 June 2023.

3． Petoukhov P V, Petukhova E S: On Genetics Unitary Matrices and Quantum-Algorithmic Genetics.Advances in Artificial Systems for Medicine and Education II.03, 103-115, 2019. 

4． Pylkkänen P : Is the Brain Analogous to a Quatum Mearuring Apparetud? Metaphors and Amalogies in Scinces and Huamnities.215-234, 2021.

5． Sekhwama M,Mpofu K,Sivarasu S,Mthunzi-Kufa P：Applications of microfluidics in biosensing.springer Nature Link, 6,303,2024.

6． 赵保路：电子自旋共振在生物和医学中的应用. 科学出版社，2009

7． 赵保路:量子科学在基生物学和医学， 中国科学技术大学出版社 2024，合肥。

8． 杨宪斌，程伯基：核磁共振技术在生物医学中的应用。北京大学学报. 医学版,1991(01):77-79.

9． Hassani S: Quantum Consciousness Crosses the Atlantic. First Online，4 July 2024,65-77.