撰文 七君
癌症令人闻之色变 ， 而量子力学又是大热的研究领域 ， 把癌症和量子力学结合在一起 ， 很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想 。
但是一些学者却指出 ， 量子力学可能是 DNA 发生突变 ， 导致复制错误的物理原理 ， 他们还得到了一些证据 。 我们一起来看看这是怎么回事 。
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【量子|量子力学导致基因突变？科学家们掌握了一些证据】图片来源：getty
21世纪的化学家们大都同意 ， 量子力学在化学中具有核心位置 。 比如 ， 量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式 。 而化学又是生化过程的基础 ， 因此不难想象 ， 量子力学也是生化反应的根基 。
但是 ， 随着分子越来越大 ， 量子相干就变得难以维持 ， 所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释 ， 而只要用经典的球棍模型就可以了 。
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在20年前 ， 想要用量子力学来解释生物过程 ， 不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑 。 当时的大多数学者认为 ， 量子力学在微观上有用 ， 在宏观世界 ， 比如生物世界的作用是微不足道的 。
他们这样看也不无道理 。 举个例子 ， 在微观世界 ， 粒子有一定几率可以“穿墙” ， 这叫做量子隧穿 。
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虽然生物也是由粒子构成的 ， 但是当粒子数增加时 ， 穿墙的可能性也跟着减小了 ， 因此我们在日常生活中是不可能见到有什么生物能穿墙 。
英国萨里大学的物理学家 Jim Al-Khalili 回忆：“当时物理学的老前辈们让我别碰这个方向 ， 他们认为这太扯了 。 ”
可是近20年来 ， 研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用 ， 尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率 。
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在光合作用中 ， 能吸收光子的光敏分子 ， 如叶绿素叫做发色团 。 发色团吸收特定波长的光子 ， 其中一小部分光子的能量被转化为热量 ， 也就是分子的振动 ， 而大部分则变成了激子 ， 也就是一种类似于粒子的能量包 。
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传统理论中 ， 在叶绿素发色团（绿色）间传递的激子（红色）一步一步走到反应中心（橙色） 。 图片来源：LUCY READING-IKKANDA
激子这种能量包要被传导到一个集中处理站——光合反应中心 ， 才能被用于生命活动 。 可是 ， 发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列——天线色素（见上图） ， 而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心 ， 需要穿越其他发色团 。
传统生物理论认为 ， 激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花 ， 从一个发色团传给另一个 ， 直到最后到达光合反应中心 。 这个过程叫做 F?rster 耦合 。
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可是问题来了 ， 激子要经历成百上千的发色团才能到达目的地 ， 而每转手一次 ， 就会损失一次能量 。 也就是说 ， 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传输过程真的如此 ， 那么它的理论效率就只有50% 。
但是 ， 光合作用的效率是95% ， 超过人类已知的其他能量转化效率 ， 而且发生十分迅速 ， 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 Graham Fleming 如此驳斥传统模型：“经典的跳跃模型不正确也不充分 ， 它对真实过程的描述是错误的 ， 而且缺失了对光合作用无与伦比的效率的解释 。 ”
可是长久以来 ， 大家认为这个过程中没有量子力学什么事儿 。 但是在2007年 ， 这种看法被打破了 。 Fleming 的团队利用能进行光合作用的绿硫细菌 Chlorobium tepidium 发现 ， 激子的传递过程实际上利用的是量子相干性 。
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原来 ， 激子具有波粒二象性 ， 它类似于一个向四面八方传播的涟漪 ， 可以同时探索池塘内 ， 也就是天线色素中的各种通道 ， 找到到达光合反应中心最有效的一条途径 。
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在量子理论中 ， 激子可以同时计算各种路径 ， 找到到达光合反应中心（橙色）最有效的那一条 。 图片来源：LUCY READING-IKKANDA
Fleming 解释：“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用 ， 揭示了能量传输的效率 。 （激子）可以同时搜索所有的能量传输通道 ， 找到其中最有效率的那条 。 ”
2010年 ， 多伦多大学的化学研究者 Gregory Scholes 和同事发现 ， 海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性 。
就这样在短短的20年里 ， 量子生物学的名词被创造了出来 ， 并成了一个欣欣向荣的学科分支 。 研究者们也发现了越来越多的传统理论无法解释 ， 但可由量子力学解释的生物现象 ， 比如酶的催化效率、嗅觉的机制、鸟类对地球磁场的感受 。
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欧亚鸲（Erithacus rubecula）能感受地球的磁场 ， 但却无法分辨南北 ， 这个现象很难用经典理论解释 ， 但却可以用量子力学说明 。 图片来源：pixabay
其中 ， 量子力学能解释的一个重要问题 ， 就是 DNA 突变 。
DNA 的双螺旋结构类似于一个旋转上升的梯子 ， 梯子的每个“台阶”实际上是氢键 。 氢键其实就是连接左右两个碱基的一个质子 ， 而这个质子通常略微更靠近台阶的某一边 。
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DNA 上的氢键和碱基（AGCT） 图片来源：harvard.edu
1963年 ， 诺贝尔物理学奖委员会成员、瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁（Per-Olov L?wdin）在发表在 Reviews of Modern Physics 上的一篇文章中提出一种理论设想：在 DNA 复制的过程中 ， 氢键上的质子可能处于某些量子态之中 ， 如果这个质子靠近“台阶”错误的一边 ， 那么 DNA 就会发生变异 ， 而质子的这种错误可由量子隧穿实现 。
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具体来说 ， 在 DNA 复制时 ， 碱基之间的氢键断裂 ， 可以和新的核苷酸组合 。 正常情况下 ， 碱基 A（腺嘌呤）和 T（胸腺嘧啶）结合 ， C（胞嘧啶）和 G（鸟嘌呤）结合 。
但是 ， 核苷酸可能因为质子隧穿而发生改变 ， A 就会变成 A* ， T 变成 T* 。 让勒夫丁感到担忧的质子的这种乱来就叫做互变异构化（tautomerization） 。
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正常A-T碱基对（上）和互变异构化后的A*-T*碱基对（下） 。 图片来源：（DOI）10.1039/C5CP00472A
别看只是头上戴了朵花 ， 整个碱基的气质都会发生变化 。 和 A 不同 ， A* 不愿意和正经对象 T 结合 ， 而更容易和 G 的对象 C 结合 。 而 T* 也看不上 A ， 更容易和 G 结合 ， 整一个大乱炖 ， 这就会导致突变 。
勒夫丁的这种设想有没有道理呢？30年后出现了一些间接证据 。
在过去 ， 生物学家接受的普遍教育是 ， 突变应该是随机发生的 ， 因此各种突变的发生概率应该差不多 ， 正如理查德·道金斯在著作 《盲眼钟表匠》（The Blind Watchmaker）中提出的那样 ， evolution is blind（演化是盲目的） 。
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可是在1988年 ， 哈佛大学的生物学家 John Cairns 和同事发现了一个不符合传统进化论的奇特现象：大肠杆菌（E. coli）可以迅速获得有利突变 。
他们将无法消化乳糖的大肠杆菌放在只有乳糖的培养皿里 。 结果 ， 这些大肠杆菌出现了能够消化乳糖的突变 ， 而这个突变的发生速度远超理论预期 ， 也就是突变随机发生的情况 。 他们的这一研究发表在 Nature 上 。
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大肠杆菌 图片来源：wikimedia
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 Johnjoe McFadden 想到 ， 这或许和量子力学有关 。 于是 ， 他开始向该校物理系的学者们求助 。 Al-Khalili 对 McFadden 的看法很感兴趣 ， 就这样 ， 两人开始搭伙研究 。
利用勒夫丁的理论 ， Al-Khalili 和 McFadden 提出 ， 实际上在观测之前 ， DNA 氢键上的质子处于叠加态中 ， 也就是说它并没有确定自己会倒向突变的那一边 ， 还是没有突变的那一边 。
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以不会吃乳糖的大肠杆菌为例 。 在遇到乳糖前 ， 大肠杆菌处于既有可能消化乳糖 ， 也有可能无法消化乳糖的叠加态 。 Al-Khalili 和 McFadden 继而通过计算指出 ， 乳糖分子的存在使质子的状态向能够消化乳糖的方向塌缩 ， 这就解释了为什么大肠杆菌的变异速度超过经典理论的预期 。
在这些研究的鼓舞下 ， 一些雄心勃勃的研究者认为 ， 在攻克癌症方面量子力学将是一个突破口 。 2013年 ， 慕尼黑大学的化学家 Frank Trixler 甚至提出 ， DNA 的氢键上发生的质子隧穿现象正是物种演化的起源 。
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不过 ， 关于量子世界是否支配一些基本的生物过程 ， 学术界还有相当大的争议 。 量子生物学需要更多的证据才能支撑这些大而美的假说 。
在谜底揭晓前 ， 让我们暂时享受这叠加着期待和怀疑的奇妙等待吧 。
常因不够变态而感到和环境格格不入？可能是你的 DNA 还没有学会量子隧穿 。
无标注图片来源网络 。
参考资料储存于石墨：
https://shimo.im/docs/CC3jxTV6TJcwRtPt/
来源：把科学带回家
编辑：zhenni
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