科学家初次发现量子力学怎么导致基因骤变 

近来，科学家表示量子力学能够解释基因骤变的原因，并初次经过核算机建模，探究出量子力学怎么导致基因骤变。

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脱氧核糖核酸(DNA)携带有合成核糖核酸(RNA)和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必要的生物大分子。DNA能够以极高精度进行大量仿制，但这一进程也或许呈现过错，并导致基因骤变。这一骤变在给人类带来多种疾病的同时，也促进了丰富的生物国际。

19世纪50年代，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA双螺旋结构，开启了分子生物学年代，将遗传研讨深入到分子层次，“生命之谜”随之被解开，人们开端清楚了解遗传信息的构成与传递途径。

DNA双螺旋结构由两条链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，如同螺旋式上升的楼梯，而这些楼梯的“台阶”正是氢键。DNA分子的两条链之间经过氢键结合，即经过一种称为质子（氢原子的原子核）的亚原子粒子所供给的粘合剂，将被称为碱基的分子衔接在一起，以保持双螺旋结构的安稳。

DNA双螺旋结构与构成该结构的4种碱基

构成安稳螺旋结构的碱基对中有4种不同碱基，分别为：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。双螺旋模型不只标明晰DNA分子结构，还提示了DNA仿制的机制：因为腺嘌呤(A)总是与胸腺嘧啶(T)配对、鸟嘌呤(G)总是与胞嘧啶(C)配对，这说明两条链的碱基次序是互相互补的，只需确认其中一条链的碱基次序，就可确认另一条链的碱基次序。

通常情况下，碱基遵从着严厉的配对规矩（A与T、C与G配对），但假如氢键的性质略有改变，就或许导致前述配对规矩被打破。假如该进程发生在双链断开前，就会导致碱基配对过错，引发基因骤变。虽然克里克和沃森此前做出过猜测，但直到今天，经过杂乱的核算建模，科学家才得以精确地量化这一进程。

此次，来自英国萨里大学勒沃休姆量子生物学博士培训中心(QB-DTC)的物理学家与化学家凭借杂乱的核算建模，标明前述基因骤变（即DNA仿制过错）或许是因为量子力学导致的。团队使用了一种开放量子体系（open quantum systems）办法，来确认或许导致质子在DNA双链之间跳动的物理机制：根据量子物理学中的隧穿效应，质子才得以跳动。相关效果发表在《天然》旗下期刊《通讯-物理》(Communications Physics)。

图片来自《通讯-物理》(Communications Physics)

据了解，量子隧穿效应是指在某些特定条件下，微观粒子“穿越”原本无法跨越的势垒阻碍的现象。要了解隧穿，能够把势垒幻想成一座山。一个本身能量小于山峰势能的微观粒子坐落山的左边，按照经典国际的常规经验，这个粒子肯定爬不到山的右侧。但过段时间再去调查粒子，或许会发现它“穿山而过”抵达了右侧，这种现象便是量子隧穿效应。隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一，比方扫描隧道显微镜便是根据隧穿效应原理所制成。

萨里研讨小组标明，DNA双链之间氢键的改变比此前以为的要普遍得多，其发生概率约为万分之1.73。也便是说，质子能够相对轻易地跳动到到双链的另一侧，即从能量壁垒一侧的位置跃迁到另一侧。假如这刚好发生在DNA仿制进程的第一步，即两条链被断开之前，那么过错就会经过细胞内的仿制机制，导致DNA错配，即一条链上的碱基与另一条链上相应的碱基不互补，甚至发生骤变。

互变异构体(Tautomeric)发生概率，图片来自论文

以往科学家以为，量子隧穿效应不太或许发生在活体生物细胞内温暖、潮湿和杂乱的环境中。然而，奥地利物理学家欧文·薛定谔在1944年的作品《生命是什么?》(What Is Life?)中说到，因为活体生物的体现与无生命物质不一样，量子力学能够在生命体系中发挥效果。这项研讨好像证实了薛定谔的理论。

前述团队确认，部分的细胞环境导致行为类似于波的质子被热激活，并穿过能量壁垒。他们发现质子是接连而且非常迅速地在两条链之间隧穿。之后，当DNA割裂成单独的链时，一些质子被捕获在过错的一侧。

鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对之间质子转移反应示意图，图片来自论文

“DNA中的质子能够沿着DNA中的氢键隧穿，并修改编码遗传信息的碱基。这些修改过的碱基被称为‘互变异构体’，能够在DNA裂解和仿制进程中存活，导致‘转录过错’或骤变。”英国萨里大学Louie Slocombe在博士学位期间进行了前述核算，并由萨里大学物理系教授Jim Al-Khalili和化学系博士Marco Sacchi辅导。

Al-Khalil对此评价：“沃森和克里克在50多年前就估测了DNA中量子力学效应的存在以及重要性，然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”

“生物学家通常以为，只有在低温文相对简单的体系中，隧穿效应才干发挥重要效果。因而，他们倾向于轻视DNA中的量子效应。经过我们的研讨，我们相信已经证明晰这些假设并不建立。”Sacchi博士说道。

前述研讨效果标明晰量子隧穿在基因骤变中的重要性，以及质子的转移在DNA骤变中具有愈加重要的效果，未来或许对目前的基因骤变模型发生深远影响。