量子力學(xué)導(dǎo)致基因突變？

七君

量子力學(xué)與光合作用

量子力學(xué)是當(dāng)前大熱的研究領(lǐng)域，目前認(rèn)為量子力學(xué)在化學(xué)中具有核心位置。比如，量子相干和量子糾纏決定了共價鍵的形式。而化學(xué)又是生化過程（生物體內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)）的基礎(chǔ)，因此不難想象，量子力學(xué)也是生化反應(yīng)的根基。

但是，隨著分子越來越大，量子相干就變得難以維持，所以大多數(shù)生化過程并不需要用量子力學(xué)來解釋，而只要用經(jīng)典的球棍模型就可以了。就在20年前，當(dāng)時的大多數(shù)學(xué)者還認(rèn)為，量子力學(xué)在微觀上有用，在宏觀世界，比如生物世界的作用是微不足道的。

舉個例子，在微觀世界，粒子有一定概率可以“穿墻”，這叫做量子隧穿。雖然生物也是由粒子構(gòu)成的，但是當(dāng)粒子數(shù)增加時，穿墻的可能性也跟著減小了，因此我們在日常生活中是不可能見到有什么生物能穿墻的。

可是近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)在某些生物過程中的重要作用，尤其是解決了生物學(xué)的一個大難題——光合作用的效率。

在光合作用中，能吸收光子的光敏分子，如葉綠素叫做發(fā)色團(tuán)。發(fā)色團(tuán)吸收特定波長的光子，其中一小部分光子的能量被轉(zhuǎn)化為熱量，也就是分子的振動，而大部分則變成了激子，也就是一種類似于粒子的能量包（圖1）。

傳統(tǒng)模型，葉綠素發(fā)色團(tuán)（綠色）間傳遞的激子（紅色）一步一步走到反應(yīng)中心（橙色）

激子這種能量包要被傳導(dǎo)到一個集中處理站——光合反應(yīng)中心，才能被用于生命活動。可是，發(fā)色團(tuán)聚集成了一個類似于太陽能板的陣列——天線色素（見圖1），而某個發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生的激子要到達(dá)光合反應(yīng)中心，需要穿越其他發(fā)色團(tuán)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，激子在發(fā)色團(tuán)之間的傳遞像是隨機(jī)亂傳的，從一個發(fā)色團(tuán)隨機(jī)傳給另一個，直到最后到達(dá)光合反應(yīng)中心。可是這樣激子要經(jīng)歷成百上千的發(fā)色團(tuán)才能到達(dá)目的地，而每轉(zhuǎn)手一次，就會損失一次能量。如果光合作用的能量傳輸過程真的如此，那么它的理論效率就只有50%。

但是，光合作用的效率是95%，超過人類已知的其他能量轉(zhuǎn)化效率，而且發(fā)生十分迅速，這是傳統(tǒng)理論無法解釋的矛盾。2007年，加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Fleming 的團(tuán)隊(duì)利用能進(jìn)行光合作用的綠硫細(xì)菌（Chlorobium tepidium）發(fā)現(xiàn)，激子的傳遞過程實(shí)際上利用的是量子相干性。原來，激子具有波粒二象性，它類似于一個向四面八方傳播的漣漪，可以同時探索池塘內(nèi)，也就是發(fā)色團(tuán)的所有通道，找到到達(dá)光合反應(yīng)中心最有效的一條途徑。Fleming 解釋：“量子相干性在光合作用的能量傳遞過程中起到了很大的作用，揭示了能量傳輸?shù)男省＜ぷ涌梢酝瑫r搜索所有的能量傳輸通道，找到其中最有效率的那條。”（圖2）

在量子理論中，激子可以同時計(jì)算各種路徑，找到到達(dá)光合反應(yīng)中心（橙色）最有效的那一條

2010年，多倫多大學(xué)的 Gregory Scholes 發(fā)現(xiàn)，海洋中隱藻門藻類也具有類似的量子相干性。

就這樣在短短的20年里，量子生物學(xué)被創(chuàng)造了出來，并成了一個欣欣向榮的學(xué)科分支。研究者們也發(fā)現(xiàn)了越來越多的傳統(tǒng)理論無法解釋，但可由量子力學(xué)解釋的生物現(xiàn)象，比如酶的催化效率、嗅覺的機(jī)制、鳥類對地球磁場的感受。比如歐亞鴝（Erithacus rubecula）能感受地球的磁場，但卻無法分辨南北，這個現(xiàn)象很難用經(jīng)典理論解釋，但卻可以用量子力學(xué)說明。

量子力學(xué)與基因突變

量子力學(xué)還與基因突變關(guān)系密切。DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)類似于一個旋轉(zhuǎn)上升的梯子，梯子的每個“臺階”實(shí)際上是氫鍵。氫鍵是連接左右兩個堿基的一個質(zhì)子，而這個質(zhì)子通常略微更靠近臺階的某一邊（圖3）。

DNA 上的氫鍵和堿基（AGCT）

1963年，諾貝爾物理學(xué)獎委員會成員、瑞典物理學(xué)家佩爾-奧洛夫·勒夫丁（Per-Olov L? ? wdin）在發(fā)表在《Reviews of Modern Physics》上的一篇文章中提出一種理論設(shè)想：在 DNA 復(fù)制的過程中，氫鍵上的質(zhì)子可能處于某種量子態(tài)之中，如果這個質(zhì)子靠近“臺階”錯誤的一邊，那么 DNA 就會發(fā)生變異，而質(zhì)子的這種錯誤可由量子隧穿引起（圖4）。

具體來說，在 DNA 復(fù)制時，堿基之間的氫鍵斷裂，可以和新的核苷酸組合。正常情況下，堿基A（腺嘌呤）和T（胸腺嘧啶）結(jié)合，C（胞嘧啶）和G（鳥嘌呤）結(jié)合。但是，核苷酸可能因?yàn)橘|(zhì)子隧穿而發(fā)生改變，A就會變成 A*，T變成 T*。讓勒夫丁感到擔(dān)憂的質(zhì)子的這種亂來就叫做互變異構(gòu)化（tautomerization）。別看只是頭上戴了朵花，整個堿基的氣質(zhì)都會發(fā)生變化。A* 和 A 不同，它不愿意和正經(jīng)對象 T 結(jié)合，而更容易和 G 的對象 C 結(jié)合。而 T* 也看不上 A，更容易和 G 結(jié)合，整一個大亂燉，這就會導(dǎo)致突變（圖5）。

正常A-T堿基對（上）和互變異構(gòu)化后的A*-T*堿基對（下）

勒夫丁的這種設(shè)想在30年后出現(xiàn)了一些間接證據(jù)。在過去，生物學(xué)家接受的普遍教育是，突變應(yīng)該是隨機(jī)發(fā)生的，因此各種突變的發(fā)生概率應(yīng)該差不多，正如理查德·道金斯在著作《盲眼鐘表匠》（The Blind Watchmaker）中提出的那樣，evolution is blind（演化是盲目的）。

可是在1988年，哈佛大學(xué)的生物學(xué)家 John Cairns 和同事發(fā)現(xiàn)了一個不符合傳統(tǒng)進(jìn)化論的奇特現(xiàn)象：大腸桿菌（E. coli）可以迅速獲得有利突變。

他們將無法消化乳糖的大腸桿菌放在只有乳糖的培養(yǎng)皿里。結(jié)果，這些大腸桿菌出現(xiàn)了能夠消化乳糖的突變，而這個突變的發(fā)生速度遠(yuǎn)超理論預(yù)期，也就是突變隨機(jī)發(fā)生的情況。為了解釋大腸桿菌的這種奇怪突變，英國薩里大學(xué)的生物學(xué)家 Johnjoe McFadden 想到，這或許和量子力學(xué)有關(guān)。于是，他開始向該校物理學(xué)家Al-Khalili求助。利用勒夫丁的理論，Al-Khalili 和 McFadden 提出，實(shí)際上在觀測之前，DNA 氫鍵上的質(zhì)子處于疊加態(tài)中，也就是說它并沒有確定自己會倒向突變的那一邊，還是沒有突變的那一邊。

以不會吃乳糖的大腸桿菌為例。在遇到乳糖前，大腸桿菌處于既有可能消化乳糖，也有可能無法消化乳糖的疊加態(tài)。Al-Khalili 和 McFadden 繼而通過計(jì)算指出，乳糖分子的存在使質(zhì)子的狀態(tài)向能夠消化乳糖的方向塌縮，這就解釋了為什么大腸桿菌的變異速度超過經(jīng)典理論的預(yù)期。在這些研究的鼓舞下，一些雄心勃勃的研究者認(rèn)為，在攻克癌癥方面量子力學(xué)將是一個突破口。2013年，慕尼黑大學(xué)的化學(xué)家 Frank Trixler 甚至提出，DNA 的氫鍵上發(fā)生的質(zhì)子隧穿現(xiàn)象正是物種演化的起源。

不過，關(guān)于量子世界是否支配一些基本的生物過程，學(xué)術(shù)界還有相當(dāng)大的爭議。量子生物學(xué)需要更多的證據(jù)才能支撐這些大而美的假說。在謎底揭曉前，讓我們暫時享受這疊加著期待和懷疑的奇妙等待吧。