本文來自微信公眾號：生態(tài)學(xué)時(shí)空，作者：復(fù)旦趙斌，原文標(biāo)題：《課本里的熒光蛋白，正在開啟生物學(xué)的量子時(shí)代 | 一起讀頂刊-2026》

水晶水母體內(nèi)的綠色熒光蛋白，能讓細(xì)胞中的目標(biāo)分子發(fā)出熒光，就像給微觀世界裝上了一盞“手電筒”，使科學(xué)家首次清晰看到細(xì)胞內(nèi)蛋白的位置與活動。這項(xiàng)成果榮獲諾貝爾獎，至今仍是全球生物實(shí)驗(yàn)室最基礎(chǔ)、最常用的工具。

但你絕對想不到，這個(gè)已使用數(shù)十年的“老工具”，正迎來顛覆性的量子升級——它可被改造成量子比特、納米級量子傳感器，直接將量子技術(shù)引入活細(xì)胞，甚至可能成為生物學(xué)下一個(gè)革命性突破。

許多人聽到“量子+生物”，第一反應(yīng)是偽科學(xué)玄學(xué)。但這次不同：這是全球頂尖實(shí)驗(yàn)室已驗(yàn)證可行、基于成熟量子物理原理的突破，它不僅打破了量子物理與生命科學(xué)的壁壘，還能解決生物學(xué)中數(shù)十年難以攻克的難題。

熒光蛋白：生物實(shí)驗(yàn)室的萬能定位器

簡單來說，它是一種可被激光激發(fā)發(fā)出熒光的蛋白質(zhì)。生物學(xué)家若想觀察細(xì)胞內(nèi)某個(gè)目標(biāo)蛋白，只需將熒光蛋白的基因與目標(biāo)蛋白的基因拼接——目標(biāo)蛋白在哪里表達(dá)，熒光蛋白就會跟著在哪里發(fā)光。激光照射后，目標(biāo)分子便會亮起來，我們就能精準(zhǔn)追蹤其位置、活動，甚至通過熒光明暗變化，測出細(xì)胞內(nèi)的pH值、鈣離子濃度等環(huán)境變化。

它是生物學(xué)的顯微鏡手電筒，但存在一個(gè)數(shù)十年的短板：無法測量磁場，也捕捉不到細(xì)胞內(nèi)極其微弱的電信號、化學(xué)信號。

量子傳感：比量子計(jì)算更先落地的超靈敏探測技術(shù)

很多人只知曉量子計(jì)算，卻不知量子傳感才是目前最成熟、離生活最近的量子技術(shù)——醫(yī)院里的核磁共振（MRI），就是最經(jīng)典的量子傳感應(yīng)用，依靠氫原子核的自旋量子特性成像。

這里要明確一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：

• 量子計(jì)算需要量子比特完全不受外界干擾，才能穩(wěn)定完成計(jì)算；

  
  

  
  

• 量子傳感則反其道而行之，恰恰要利用量子比特對外界環(huán)境極度敏感的特性：哪怕是極其微弱的磁場、溫度變化、電場波動，都會改變量子比特的狀態(tài)，進(jìn)而改變它發(fā)出的光。我們只要捕捉熒光的變化，就能精準(zhǔn)測出這些微觀信號，相當(dāng)于一個(gè)納米級的超靈敏聽診器。

  
  

  
  

此前的瓶頸：鉆石量子傳感器，為何無法進(jìn)入活細(xì)胞？

目前全球最成熟的室溫量子傳感器，是“氮空位金剛石中心”（簡稱NV金剛石）。通俗來講，就是在鉆石晶體中制造一個(gè)微小缺陷：將一個(gè)碳原子替換成氮原子，旁邊再空出一個(gè)碳原子的位置。這個(gè)納米級的缺陷，就是一個(gè)完美的量子比特，它靈敏度極高、室溫下就能穩(wěn)定工作，已被用于半導(dǎo)體性能檢測，甚至研發(fā)出靈敏度是標(biāo)準(zhǔn)方法10萬倍的HIV檢測技術(shù)。

但它有一個(gè)致命短板，使其始終無法真正應(yīng)用于活細(xì)胞研究：體積太大，是普通蛋白質(zhì)的10倍，就像一塊塞進(jìn)細(xì)胞的磚頭。無法精準(zhǔn)將其放到想要觀測的位置，只能粗暴地送入細(xì)胞，更無法讓它精準(zhǔn)貼在目標(biāo)分子旁邊。而細(xì)胞內(nèi)的信號，差幾納米，結(jié)果就會天差地別。

這就是量子傳感在生物學(xué)中的最大痛點(diǎn)：傳感器足夠靈敏，但無法精準(zhǔn)“靶向”，到達(dá)不了該去的地方。

一個(gè)被討厭數(shù)十年的“bug”，成為量子升級的關(guān)鍵

就在所有人都在想辦法縮小金剛石傳感器時(shí)，一群物理學(xué)家和生物學(xué)家換了個(gè)思路：既然人造量子器件無法進(jìn)入細(xì)胞，那能否直接利用細(xì)胞內(nèi)原本就有的、能精準(zhǔn)靶向的生物分子，改造成量子傳感器？

他們盯上的，正是生物實(shí)驗(yàn)室日常使用的熒光蛋白。而突破口，竟然是一個(gè)被生物學(xué)家討厭了數(shù)十年的“技術(shù)bug”。

熒光蛋白發(fā)光時(shí)，偶爾會突然變暗、閃爍，幾十年來，所有生物學(xué)家都對這一現(xiàn)象深惡痛絕——它導(dǎo)致“手電筒”亮度不穩(wěn)定，無法精準(zhǔn)觀測。但物理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)：這個(gè)閃爍，恰恰是實(shí)現(xiàn)量子傳感的核心。

通俗地說，熒光蛋白發(fā)光，是因?yàn)槠潆娮颖患す饧ぐl(fā)后，從高能級落回低能級，釋放出光子。但有小概率，激發(fā)的電子會進(jìn)入一個(gè)叫三重態(tài)的特殊“待機(jī)狀態(tài)”——在這個(gè)狀態(tài)下，電子不會發(fā)光，就會導(dǎo)致熒光變暗、閃爍。

而這個(gè)三重態(tài)，恰恰是量子傳感的核心：它能讓電子的自旋形成量子疊加態(tài)（即量子比特的核心能力），同時(shí)對磁場變化極度敏感。外界哪怕只有極其微弱的磁場波動，都會改變電子從三重態(tài)回到發(fā)光狀態(tài)的概率，最終體現(xiàn)在熒光的明暗變化上。

更巧的是，我們之前使用的金剛石量子傳感器，能工作的核心也是這個(gè)三重態(tài)。

基于這一原理，科學(xué)家完成了一場顛覆性的驗(yàn)證：他們用實(shí)驗(yàn)室里現(xiàn)成的增強(qiáng)型黃色熒光蛋白（EYFP），通過激光和微波操控，真的將其變成了穩(wěn)定的量子比特。實(shí)驗(yàn)結(jié)果超出預(yù)期：它的熒光強(qiáng)度會隨磁場變化，波動幅度高達(dá)30%，而且在室溫下的活細(xì)菌細(xì)胞里，能完全正常工作。

一個(gè)生物實(shí)驗(yàn)室使用了數(shù)十年的現(xiàn)成工具，居然就這樣變成了能在活細(xì)胞里工作的量子傳感器。

帶來的改變：四個(gè)革新生物學(xué)的應(yīng)用方向

很多人會問：將熒光蛋白改造成量子傳感器，到底有什么用？它能解決的，全是生物學(xué)中數(shù)十年都難以攻克的難題，每一個(gè)應(yīng)用都足以開辟一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。

1. 細(xì)胞內(nèi)的超靈敏早癌預(yù)警器

普通熒光蛋白只能測量pH值、鈣離子濃度等相對宏觀的細(xì)胞環(huán)境變化，但量子版熒光蛋白能捕捉到之前完全無法測量的微觀信號：

比如神經(jīng)元放電時(shí)產(chǎn)生的極其微弱的動作電位、細(xì)胞內(nèi)離子流動的磁場，甚至是極微量的自由基——而自由基的異常積累，正是細(xì)胞應(yīng)激、癌變早期的核心信號。

相當(dāng)于我們把一個(gè)超靈敏的探測器直接裝到了細(xì)胞內(nèi)部，能在最早階段捕捉到病變信號，這是之前任何技術(shù)都無法做到的。

2. 真正的納米級精準(zhǔn)靶向，想測哪里就測哪里

這是它對比金剛石傳感器最大的、不可替代的優(yōu)勢：熒光蛋白可以通過基因工程技術(shù)，直接在你想觀測的位置精準(zhǔn)生成。比如你想研究神經(jīng)元細(xì)胞膜上的離子通道，就可以直接讓熒光蛋白在離子通道旁邊表達(dá)，與觀測目標(biāo)緊緊貼在一起，精度達(dá)到納米級。

之前的量子傳感器，是把探測器硬塞進(jìn)細(xì)胞里尋找目標(biāo)；而量子熒光蛋白，是直接把探測器裝在目標(biāo)旁邊。這種靶向性，是所有活體量子傳感技術(shù)夢寐以求的能力。

3. 融合MRI與熒光顯微鏡，重塑活體成像

目前生物成像存在兩個(gè)無法調(diào)和的痛點(diǎn)：

• 熒光顯微鏡能看清細(xì)胞內(nèi)的分子，但只能看到活體皮下1毫米的深度，再深光線就會散射，畫面模糊；

  
  

  
  

• 核磁共振（MRI）能穿透到身體深處，但分辨率不足，根本看不到細(xì)胞和分子級的細(xì)節(jié)。

  
  

  
  

而量子熒光蛋白完美解決了這一矛盾?？茖W(xué)家可以通過磁場和無線電波，控制熒光蛋白只在特定位置、特定時(shí)間閃爍，哪怕光線在穿出組織的過程中散射了，也能通過已知的磁場信息，精準(zhǔn)定位熒光的來源。

相當(dāng)于把MRI的“深穿透能力”和熒光蛋白的“分子級分辨率”合二為一。未來我們無需解剖實(shí)驗(yàn)動物，就能清晰看到其體內(nèi)活細(xì)胞里的分子活動，這對腦科學(xué)、發(fā)育生物學(xué)的研究是革命性的突破。

4. 遠(yuǎn)程無創(chuàng)的磁遺傳學(xué)，開啟全新治療方式

量子熒光蛋白還有一個(gè)科幻級的能力：可以用磁場遠(yuǎn)程操控它的開關(guān)。

科學(xué)家可以通過定向磁場，遠(yuǎn)程激活細(xì)胞內(nèi)的量子熒光蛋白，進(jìn)而操控它旁邊的蛋白活性，甚至在身體深處啟動治療反應(yīng)——比如不用開刀、不用吃藥，就能精準(zhǔn)控制體內(nèi)細(xì)胞釋放藥物，靶向治療病灶。

這種被稱為磁遺傳學(xué)的技術(shù)，之前一直受限于傳感器的靶向性，而量子熒光蛋白的出現(xiàn)，讓它真正有了落地的可能。

客觀看待：它還需攻克哪些挑戰(zhàn)？

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)目前還處于早期階段，要真正大規(guī)模應(yīng)用，還有幾個(gè)核心難題需要解決：

1. 蛋白穩(wěn)定性不足：熒光蛋白相對脆弱，長時(shí)間激光照射會逐漸降解，目前還無法長時(shí)間穩(wěn)定工作；

   
   

   
   

2. 靈敏度仍需提升：目前它的靈敏度還比不上成熟的金剛石量子傳感器，需要通過蛋白改造，讓電子在三重態(tài)停留的時(shí)間更長，進(jìn)一步放大其探測能力；

   
   

   
   

3. 三維成像技術(shù)仍需完善：目前科學(xué)家只完成了一維線成像，還未實(shí)現(xiàn)完整的三維活體成像，需要進(jìn)一步優(yōu)化磁場控制和信號解析技術(shù)。

   
   

   
   

但正如科學(xué)家所說：物理原理已完全驗(yàn)證可行，剩下的只是工程化優(yōu)化，沒有無法突破的底層障礙。甚至很多用于改造的熒光蛋白，都是實(shí)驗(yàn)室里現(xiàn)成的產(chǎn)品，操控設(shè)備也是生物實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，推廣門檻極低。

認(rèn)知升華

這篇研究帶給我們的，不只是一項(xiàng)新技術(shù)，更是兩個(gè)全新的認(rèn)知，無論對普通讀者還是大學(xué)通識課學(xué)生，都有極強(qiáng)的啟發(fā)意義。

第一，我們總覺得量子物理離生命很遠(yuǎn)，但其實(shí)生命本身就藏著量子技術(shù)的答案。我們總認(rèn)為量子技術(shù)是造芯片、做計(jì)算機(jī)的，是冰冷物理實(shí)驗(yàn)室里的東西，與溫暖復(fù)雜的生命系統(tǒng)無關(guān)。但這項(xiàng)研究告訴我們，生命演化出的天然蛋白，居然能直接充當(dāng)量子器件，甚至能解決人造量子器件無法解決的難題。量子生物學(xué)不是玄學(xué)，而是未來科學(xué)最重要的交叉方向之一。

第二，一個(gè)領(lǐng)域里的“bug”，換個(gè)領(lǐng)域可能就是顛覆性的寶藏。生物學(xué)家討厭了數(shù)十年的熒光閃爍“bug”，在物理學(xué)家眼里，恰恰是打開量子傳感大門的鑰匙。很多時(shí)候，我們眼中的缺陷、問題，只是因?yàn)榫窒拊趩我灰暯抢?。換一個(gè)領(lǐng)域、換一套思路，缺陷反而會變成獨(dú)一無二的優(yōu)勢。

科學(xué)的進(jìn)步，不是在單一賽道里一路狂奔，而是在不同學(xué)科的交叉處找到全新的大門。而這個(gè)已陪伴生物學(xué)數(shù)十年的熒光蛋白，正為我們打開生物學(xué)的量子時(shí)代。

【通識課思考探討】

1. 你認(rèn)為量子熒光蛋白的出現(xiàn)，會最先顛覆生物學(xué)的哪個(gè)研究領(lǐng)域？是腦科學(xué)、腫瘤早期檢測，還是活體成像技術(shù)？

   
   

   
   

2. 為什么很多顛覆性的科學(xué)突破，都來自兩個(gè)看似不相關(guān)學(xué)科的交叉？我們該如何培養(yǎng)這種跨學(xué)科的思維方式？

   
   

   
   

3. 這項(xiàng)技術(shù)未來如果成熟，可能會帶來哪些倫理層面的爭議？比如遠(yuǎn)程操控細(xì)胞的磁遺傳學(xué)技術(shù)，該如何劃定應(yīng)用邊界？

   
   

   
   

解讀文獻(xiàn)：

• https://doi.org/10.1038/d41586-026-00662-1