量子力學(xué)導(dǎo)致基因突變？

癌癥令人聞之色變，而量子力學(xué)又是大熱的研究領(lǐng)域，把癌癥和量子力學(xué)結(jié)合在一起，很容易讓人產(chǎn)生夸大其詞、嘩眾取寵的聯(lián)想。

但是一些學(xué)者卻指出，量子力學(xué)可能是 DNA 發(fā)生突變，導(dǎo)致復(fù)制錯(cuò)誤的物理原理，他們還得到了一些證據(jù)。我們一起來看看這是怎么回事。

21世紀(jì)的化學(xué)家們大都同意，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(jià)鍵的形式。而化學(xué)又是生化過程的基礎(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物理學(xué)來解釋，而只要用經(jīng)典的球棍模型就可以了。

在20年前，想要用量子力學(xué)來解釋生物過程，不管是在物理學(xué)界還是在生物學(xué)界都會(huì)遭到恥笑。當(dāng)時(shí)的大多數(shù)學(xué)者認(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。

他們這樣看也不無(wú)道理。舉個(gè)例子，在微觀世界，粒子有一定幾率可以“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(shí)，穿墻的可能性也跟著減小了，因此我們?cè)谌粘Ｉ钪惺遣豢赡芤姷接惺裁瓷锬艽Α?/p>

英國(guó)薩里大學(xué)的物理學(xué)家 Jim Al-Khalili 回憶：“當(dāng)時(shí)物理學(xué)的老前輩們讓我別碰這個(gè)方向，他們認(rèn)為這太扯了。”

可是近20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(gè)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(zhǎng)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(dòng)，而大部分則變成了激子，也就是一種類似于粒子的能量包。

傳統(tǒng)理論中，在葉綠素發(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）。圖片來源：LUCY READING-IKKANDA

激子這種能量包要被傳導(dǎo)到一個(gè)集中處理站——光合反應(yīng)中心，才能被用于生命活動(dòng)。可是，發(fā)色團(tuán)聚集成了一個(gè)類似于太陽(yáng)能板的陣列——天線色素（見上圖），而某個(gè)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)生物理論認(rèn)為，激子在發(fā)色團(tuán)之間的傳遞像是隨機(jī)亂傳的擊鼓傳花，從一個(gè)發(fā)色團(tuán)傳給另一個(gè)，直到最后到達(dá)光合反應(yīng)中心。這個(gè)過程叫做 F?rster 耦合。

可是問題來了，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(huì)損失一次能量。也就是說，走的冤枉路越多，光合作用的效率就越低。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(wú)法解釋的矛盾。

加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Graham Fleming 如此駁斥傳統(tǒng)模型：“經(jīng)典的跳躍模型不正確也不充分，它對(duì)真實(shí)過程的描述是錯(cuò)誤的，而且缺失了對(duì)光合作用無(wú)與倫比的效率的解釋?！?/p>

可是長(zhǎng)久以來，大家認(rèn)為這個(gè)過程中沒有量子力學(xué)什么事兒。但是在2007年，這種看法被打破了。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(gè)向四面八方傳播的漣漪，可以同時(shí)探索池塘內(nèi)，也就是天線色素中的各種通道，找到到達(dá)光合反應(yīng)中心最有效的一條途徑。

在量子理論中，激子可以同時(shí)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。

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?。（激子）可以同時(shí)搜索所有的能量傳輸通道，找到其中最有效率的那條?！?/p>

2010年，多倫多大學(xué)的化學(xué)研究者 Gregory Scholes 和同事發(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)的名詞被創(chuàng)造了出來，并成了一個(gè)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(wú)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(duì)地球磁場(chǎng)的感受。

歐亞鴝（Erithacus rubecula）能感受地球的磁場(chǎng)，但卻無(wú)法分辨南北，這個(gè)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。

其中，量子力學(xué)能解釋的一個(gè)重要問題，就是 DNA 突變。

DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)旋轉(zhuǎn)上升的梯子，梯子的每個(gè)“臺(tái)階”實(shí)際上是氫鍵。氫鍵其實(shí)就是連接左右兩個(gè)堿基的一個(gè)質(zhì)子，而這個(gè)質(zhì)子通常略微更靠近臺(tái)階的某一邊。

DNA 上的氫鍵和堿基（AGCT） 圖片來源：harvard.edu

1963年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)成員、瑞典物理學(xué)家佩爾-奧洛夫·勒夫?。≒er-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)子可能處于某些量子態(tài)之中，如果這個(gè)質(zhì)子靠近“臺(tái)階”錯(cuò)誤的一邊，那么 DNA 就會(huì)發(fā)生變異，而質(zhì)子的這種錯(cuò)誤可由量子隧穿實(shí)現(xiàn)。

具體來說，在 DNA 復(fù)制時(shí)，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(huì)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）。

正常A-T堿基對(duì)（上）和互變異構(gòu)化后的A*-T*堿基對(duì)（下）。圖片來源：（DOI）10.1039/C5CP00472A

別看只是頭上戴了朵花，整個(gè)堿基的氣質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化。和 A 不同，A* 不愿意和正經(jīng)對(duì)象 T 結(jié)合，而更容易和 G 的對(duì)象 C 結(jié)合。而 T* 也看不上 A，更容易和 G 結(jié)合，整一個(gè)大亂燉，這就會(huì)導(dǎo)致突變。

勒夫丁的這種設(shè)想有沒有道理呢？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(gè)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(wú)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(gè)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。他們的這一研究發(fā)表在Nature上。

為了解釋大腸桿菌的這種奇怪突變，英國(guó)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，他開始向該校物理系的學(xué)者們求助。Al-Khalili 對(duì) McFadden 的看法很感興趣，就這樣，兩人開始搭伙研究。

利用勒夫丁的理論，Al-Khalili 和 McFadden 提出，實(shí)際上在觀測(cè)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(huì)倒向突變的那一邊，還是沒有突變的那一邊。

以不會(huì)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(wú)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(gè)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(zhēng)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(shí)享受這疊加著期待和懷疑的奇妙等待吧。

常因不夠變態(tài)而感到和環(huán)境格格不入？可能是你的 DNA 還沒有學(xué)會(huì)量子隧穿。

原文標(biāo)題：量子力學(xué)導(dǎo)致基因突變？科學(xué)家們掌握了一些證據(jù)

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