撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

自旋相關(guān)自由基對(duì)（SCRP）是一類反應(yīng)行為受其電子自旋狀態(tài)顯著影響的分子實(shí)體。這些自旋態(tài)可存在于量子相干疊加狀態(tài)，使得反應(yīng)路徑對(duì)外部磁場(chǎng)具有極高敏感性。此前，磁場(chǎng)對(duì) SCRP 的影響仍局限于體外實(shí)驗(yàn)或分離生物分子層面，在活體動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)針對(duì)性調(diào)控，始終未獲突破。

2026 年 3 月 18 日，斯坦福大學(xué)的研究人員在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Magnetic resonance control of spin-correlated radical pair dynamics in vivo 的研究論文。

該研究首次在量子物理學(xué)和生物學(xué)之間架起了橋梁——在活體多細(xì)胞動(dòng)物中利用磁共振技術(shù)成功控制了自旋相關(guān)自由基對(duì)（SCRP）動(dòng)力學(xué)。該研究不僅驗(yàn)證了量子效應(yīng)在復(fù)雜生物體內(nèi)的存在，更為遠(yuǎn)程控制生物分子過(guò)程（例如基因表達(dá)）開辟了全新途徑，還表明了量子工具在生物醫(yī)學(xué)中具有更廣泛的應(yīng)用潛力。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)開創(chuàng)性研究揭示了生物調(diào)控的一個(gè)新維度——通過(guò)非侵入性的磁場(chǎng)遠(yuǎn)程調(diào)控自由基對(duì)內(nèi)電子自旋的微妙相互作用，這不僅豐富了我們對(duì)天然環(huán)境中自旋化學(xué)的理解，還為利用分子層面量子現(xiàn)象的變革性生物醫(yī)學(xué)技術(shù)開辟了新道路。

量子生物學(xué)的新里程碑

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直好奇：微弱的磁場(chǎng)如何影響生命系統(tǒng)？候鳥如何利用地球磁場(chǎng)導(dǎo)航數(shù)千公里？這些現(xiàn)象背后，可能隱藏著量子力學(xué)的秘密。

在微觀世界中，某些化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一對(duì)特殊的“自由基”——它們就像一對(duì)量子糾纏的“雙胞胎”，即使分開，其自旋狀態(tài)也保持神秘關(guān)聯(lián)，這就是自旋相關(guān)自由基對(duì)（spin-correlated radical pair，SCRP）。

當(dāng)這對(duì)自由基處于特定狀態(tài)時(shí)，它們可以重組并完成化學(xué)反應(yīng)；處于另一種狀態(tài)時(shí)，則會(huì)“分道揚(yáng)鑣”。而外部磁場(chǎng)，就像一只無(wú)形的手，可以微妙地調(diào)整這對(duì)“雙胞胎”的狀態(tài)比例，從而改變化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。更神奇的是，如果在靜態(tài)磁場(chǎng)基礎(chǔ)上，再施加特定頻率的射頻磁場(chǎng)，就能像調(diào)收音機(jī)一樣，精準(zhǔn)“撥動(dòng)”這對(duì)量子雙胞胎的狀態(tài)——這就是反應(yīng)產(chǎn)額檢測(cè)磁共振技術(shù)。

從理論到活體動(dòng)物的跨越

盡管科學(xué)家早在幾十年前就預(yù)測(cè)并在試管中觀察到了相關(guān)現(xiàn)象，但在多細(xì)胞生物體內(nèi)構(gòu)建工程化的量子敏感系統(tǒng)，一直是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)最新研究，來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)巧妙的組合：紅色熒光蛋白（RFP）和黃素輔因子（flavin cofactor）。紅色熒光蛋白是生物學(xué)研究的“明星工具”，能讓細(xì)胞發(fā)出紅色熒光；黃素則是細(xì)胞中天然存在的分子。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)秀麗隱桿線蟲進(jìn)行基因改造，使其表達(dá)特定的紅色熒光蛋白，當(dāng)這些蛋白與細(xì)胞內(nèi)的黃素相遇，并在光照條件下，就會(huì)形成那個(gè)神秘的“量子雙胞胎”——自旋相關(guān)自由基對(duì)（SCRP）。

精密的量子“遙控器”

為了在活體動(dòng)物中觀察并控制這種微觀量子效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套精密的實(shí)驗(yàn)裝置。

他們使用兩組亥姆霍茲線圈產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)，同時(shí)用一個(gè)頻率約 450 MHz 的環(huán)形諧振器產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)。整個(gè)系統(tǒng)就像一個(gè)量子“遙控器”，能精確調(diào)控線蟲體內(nèi)的自由基對(duì)狀態(tài)。

通過(guò)寬場(chǎng)熒光成像，研究團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)觀察紅色熒光蛋白的發(fā)光強(qiáng)度變化——這直接反映了自由基對(duì)的量子狀態(tài)和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮：當(dāng)施加合適的靜態(tài)磁場(chǎng)時(shí)，線蟲體內(nèi)紅色熒光蛋白的發(fā)光強(qiáng)度下降了約 6%；而當(dāng)疊加特定頻率的射頻磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度又顯著回升。這種變化不是隨機(jī)的——它精確發(fā)生在電子自旋共振頻率附近，完全符合量子理論預(yù)測(cè)。

利用射頻磁場(chǎng)對(duì)熒光蛋白:黃素系統(tǒng)中紅色熒光蛋白的熒光進(jìn)行調(diào)控

更精細(xì)的測(cè)量顯示，這些自由基對(duì)的量子相干時(shí)間超過(guò)4 納秒。在室溫、潮濕、復(fù)雜的生物體內(nèi)，量子相干現(xiàn)象曾被認(rèn)為因太過(guò)脆弱或復(fù)雜而無(wú)法在活細(xì)胞中持續(xù)存在，而這項(xiàng)研究證明了其不僅可以在室溫、潮濕、復(fù)雜的生物體內(nèi)存在，還可以被控制和利用。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣現(xiàn)象：不同組織中，磁場(chǎng)的調(diào)控作用程度并不相同，在腸道組織中觀察到的效應(yīng)最強(qiáng)，而在神經(jīng)元組織中則相對(duì)較弱。這可能與不同組織中黃素輔因子的濃度差異有關(guān)，也可能反映了不同組織微環(huán)境的氧化還原狀態(tài)對(duì)量子過(guò)程的影響。這一發(fā)現(xiàn)暗示，未來(lái)或許能通過(guò)設(shè)計(jì)組織特異性的量子敏感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定器官或細(xì)胞類型的精準(zhǔn)調(diào)控。

從線蟲到人類的想象

這項(xiàng)研究的真正意義在于，它首次在活體多細(xì)胞生物中實(shí)現(xiàn)了工程化量子系統(tǒng)的磁共振控制。

想象一下未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景：醫(yī)生可以通過(guò)體外施加特定磁場(chǎng)，遠(yuǎn)程調(diào)控腫瘤細(xì)胞中的基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)治療；科學(xué)家可以設(shè)計(jì)對(duì)磁場(chǎng)敏感的報(bào)告系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特定生物過(guò)程；甚至可能開發(fā)出基于量子效應(yīng)的新型生物傳感器和成像技術(shù)。

這項(xiàng)研究還標(biāo)志著量子生物學(xué)從觀察自然現(xiàn)象，邁向了主動(dòng)設(shè)計(jì)、工程化應(yīng)用的新階段。未來(lái)，通過(guò)定向進(jìn)化或理性設(shè)計(jì)，科學(xué)家可能開發(fā)出對(duì)磁場(chǎng)更敏感、特異性更強(qiáng)的量子蛋白，這些蛋白不僅能作為研究工具，還可能成為連接量子技術(shù)與生命系統(tǒng)的橋梁。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10282-4