候鸟迁徙中的量子定向

摘要

量子力学在生物分子内部的效应，已经成为二十世纪生物学的基本问题之一。随着实验技术的发展，生物分子内部的复合物中的量子力学效应可以直接被试验所观察到。最近的实验证明了在充满复杂噪声的环境下，生物体中的动力学过程仍然呈现出量子效应。这些实验现象给出了一个统一的更具一般性的观点来研究生物中的量子力学效应。很多其他的生物系统和生物功能也是量子相干在起重要作用。鸟类磁罗盘就是一个这样的系统。
　　迁徙鸟类具有惊人的感知地磁场的能力，包括地磁场的方向和极低的强度(100uT以下)。虽然鸟类磁罗盘传感器的起源仍然是一个公开的难题，但从最有力的实验证据得到的假设是，这种机制来源于瞬时光诱导的激子对的量子自旋动力学。如果确实是这样的话，这将促使我们在人工系统中重复出这种行为，并且实现超精细的磁感应能力。
　　我们运用量子力学理论，将这种化学反应抽象成一种量子效应的结构模型，分别建立两种不同的鸟类迁徙定向模型——单核自由基对模型和双核自由基对模型。通过量子主方程数值计算了两种模型中与磁场角度变化密切相关的单态和三重态的产量比值，分析探究磁场方向与鸟类迁徙定向的依赖关联。我们发现，随着磁场角度从0-90度的变化，单重态与三重态的产物产量比值有规律的降低，而产物的不同比率将对应产生某一新的信号传递给鸟类，使鸟类可以在飞行中进行导航;当地磁场的强度减小30％时，从双核模型计算得出的数据可以看出，产量比值的数值减小以及变化趋势变小，此时鸟类迷失方向;通过在地磁场中外加共振磁场，寻找自由基对反应速率k，估算出鸟类飞行中定向的时间，在4微秒到40微秒之间;当外部环境存在时，会导致产量比值降低和变化趋势减小，会对鸟类迁徙产生影响，甚至破坏鸟类定向功能。我们将从理论上阐述，磁场角度的变化是如何对鸟类的迁徙产生导向作用的。
　　文章最后给出本文的总结和讨论。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 量子力学与量子生物学

1．2 候鸟迁徙及研究现状

1．3 本文结构

2 量子信息基本概念介绍

2．1 量子力学假设

2．2 量子态的密度矩阵描述

2．2．1 量子概率和经典概率

2．2．2 密度矩阵的定义及性质

2．3 Bell态

2．4 量子纠缠

3 量子开放系统主方程

3．1 密度矩阵

3．2 主方程导出

4 候鸟迂徙中的量子效应

4．1 量子效应

4．2 单核自由基对模型

4．3 单核自由基对模型的系统动力学过程数值分析

4．3．1 地磁场大小及方向对模型工作的影响

4．3．2 添加与地磁场共振的磁场对系统模型工作的影响

4．3．3 环境噪声对系统演化即罗盘模型工作的影响

4．4 本章总结

5 双核自由基对模型

5．1 模型介绍

5．2 双核自由基对模型的系统动力学过程数值分析

5．2．1 地磁场大小及方向对模型工作的影响

5．2．2 添加与地磁场共振的磁场对系统模型工作的影响

5．2．3 环境噪声对系统演化即罗盘模型工作的影响

5．3 本章总结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢