量子力学导致基因突变？科学家们掌握了一些证据

癌症很恶心，量子力学是热门研究领域把癌症和量子力学结合起来，很容易产生夸张的，耸人听闻的联想

但也有学者指出，量子力学可能是DNA突变的物理原理，导致复制错误，他们获得了一些证据我们来看看是怎么回事

21世纪的大多数化学家都同意量子力学在化学中起着核心作用比如量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式化学是生化过程的基础，所以不难想象量子力学也是生化反应的基础

但是伴随着分子越来越大，量子相干性变得难以维持，所以大部分生化过程不需要用物理来解释，只需要用经典的棒模型就可以了。

20年前，任何试图用量子力学解释生物过程的人，都会在物理和生物两个领域遭到嘲笑当时大多数学者认为，量子力学在微观层面是有用的，但在宏观世界，比如生物界，作用微乎其微

他们这样看是有道理的比如微观世界中，粒子有一定几率穿墙，这就是所谓的量子隧穿

虽然生物也是由粒子组成的，但是当粒子数量增加时，穿墙的可能性就降低了，所以我们在日常生活中不可能看到任何可以穿墙的生物。

英国萨里大学的物理学家吉姆·艾尔·哈利利回忆说:当时物理学的学长们告诉我不要碰这个方向，他们认为这很可笑。

可是，近20年来，研究人员发现了量子力学在一些生物过程中的重要作用，尤其是解决了一个很大的生物学问题——光合作用的效率。

在光合作用中，可以吸收光子的光敏分子，如叶绿素，被称为发色团发色团吸收特定波长的光子，其中光子的一小部分能量转化为热量，即分子的振动，而大部分变成激子，即类似于粒子的能量包

激子，这个能量包，必须被传导到一个集中的处理站——光合反应中心，才能用于生命活动但发色团簇成类似太阳能电池板——天线色素的阵列，一个发色团产生的激子需要穿过其他发色团才能到达光合反应中心

根据传统的生物学理论，激子在发色团之间的转移就像一个随机传递的包裹，从一个发色团传递到另一个发色团，直到它最终到达光合反应中心这个过程被称为福斯特耦合

但问题是，激子要经过数百个发色团才能到达目的地，每一次易手都会损失能量也就是说，越出错，光合作用的效率越低如果光合作用的能量传递过程真的如此，那么它的理论效率只有50%

但是光合作用的效率是95%，高于人类已知的其他能量转换效率，而且发生的非常快，这是传统理论无法解释的矛盾。

加州大学伯克利分校劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家格雷厄姆·弗莱明对传统模型的反驳如下:经典跳跃模型是不正确和不充分的，它对真实过程的描述是错误的，它缺乏对光合作用无与伦比的效率的解释。

可是，很长一段时间，人们认为这个过程中没有什么量子力学但在2007年，这种观点被打破了弗莱明的团队使用光合绿硫细菌Chlorobium tepidium发现，量子相干实际上用于激子的转移

本来激子就有波粒二象性，类似于一个向四面八方扩散的波纹它可以同时探索池塘中的各种通道，即触角色素，找到到达光合反应中心的最有效途径

弗莱明解释说:量子相干在光合作用的能量转移过程中起着很大的作用，揭示了能量转移的效率你可以同时搜索所有的能量传输通道，找到效率最高的一个

2010年，多伦多大学化学研究员格雷戈里·斯科尔斯及其同事发现，海洋中的隐藻门也具有类似的量子相干性。

就这样，在短短的20年时间里，量子生物学这个术语被创造出来，并成为一门欣欣向荣的科学分支研究人员还发现了越来越多的无法用传统理论解释，但可以用量子力学解释的生物现象，比如酶的催化效率，嗅觉的机理，鸟类对地球磁场的感觉等

其中，量子力学可以解释的一个重要问题就是DNA突变。

DNA的双螺旋结构类似于旋转的梯子，梯子的每一个台阶其实都是一个氢键氢键实际上是连接左右碱基的质子，这个质子通常稍微靠近台阶的一侧

1963年，诺贝尔物理学奖委员会委员，瑞典物理学家佩尔·奥洛夫·洛夫丁在《现代物理学评论》上发表的一篇文章中提出了一个理论假设:在DNA复制过程中，氢键上的质子可能处于某些量子态如果这个质子靠近台阶的错误一侧，那么DNA就会发生突变，质子的这个错误就可以通过量子隧穿来实现

具体来说，在DNA复制过程中，碱基之间的氢键断裂，可以与新的核苷酸结合正常情况下，碱基A和T结合，C和G结合

但是核苷酸可能会因为质子隧穿而发生变化，A会变成A*，T会变成T*这种让洛夫丁担忧的质子无序被称为互变异构

别看只是头上戴一朵花，整个基地的气质都会变A*不像A，不愿意和合适的对象T结合，但是更容易和g的对象C结合，而T*也不喜欢A，所以更容易和g结合，这是一个大杂烩，会导致变异

洛夫丁的假设有什么道理吗30年后，一些间接证据出现了

以前生物学家的普遍教育是突变应该是随机发生的，所以各种突变的发生概率应该是差不多的正如理查德·道金斯在《盲目的钟表匠》一书中提出的，进化是盲目的

可是，1988年，哈佛大学生物学家约翰·凯恩斯及其同事发现了一个不符合传统进化论的奇怪现象:大肠杆菌可以迅速获得有利突变。

他们把不能消化乳糖的大肠杆菌放在只有乳糖的培养皿中结果这些大肠杆菌出现了可以消化乳糖的突变，而且突变发生的速度远远快于理论预期，即突变是随机发生的他们的研究发表在《自然》杂志上

为了解释大肠杆菌的这种奇怪突变，英国萨里大学的生物学家约翰·乔·麦克法登认为这可能与量子力学有关于是，他开始向学校物理系的学者求助哈利利对麦克法登的观点很感兴趣，就这样，他们两人开始一起研究

Al—Khalili和麦克法登利用洛夫丁的理论提出，实际上在观测之前，DNA的氢键上的质子处于叠加状态，也就是说，不确定它会倒向有突变的一边还是没有突变的一边。

以不能吃乳糖的大肠杆菌为例在遇到乳糖之前，大肠杆菌处于能消化乳糖或不能消化乳糖的叠加状态阿尔—哈利利和麦克法登随后通过计算指出，乳糖分子的存在使得质子态朝着能够消化乳糖的方向坍缩，这解释了为什么大肠杆菌的突变率超过了经典理论的预期

受这些研究的启发，一些雄心勃勃的研究人员认为，量子力学将是攻克癌症的突破口2013年，慕尼黑大学的化学家弗兰克·特里克斯勒甚至提出，DNA氢键上的质子隧穿是物种进化的起源

可是，对于量子世界是否主导一些基本的生物过程，学术界仍有相当大的争议量子生物学需要更多的证据来支持这些大而美的假设

在谜底揭晓之前，让我们先带着期待和疑问享受一会儿这种美妙的等待。

经常因为自己不够变态而觉得和环境格格不入也许你的DNA还没有学会量子隧道

参考数据存储在石墨中: