近日，科學家表示量子力學可以解釋基因突變的原因，并首次通過計算機建模，探究出量子力學如何導致基因突變。

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脫氧核糖核酸(DNA)攜帶有合成核糖核酸(RNA)和蛋白質所必需的遺傳信息，是生物體發育和正常運作必要的生物大分子。DNA能夠以極高精度進行大量復制，但這一過程也可能出現錯誤，并導致基因突變。這一突變在給人類帶來多種疾病的同時，也促進了豐富的生物世界。

19世紀50年代，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克發現了DNA雙螺旋結構，開啟了分子生物學時代，將遺傳研究深入到分子層次，“生命之謎”隨之被解開，人們開始清楚了解遺傳信息的構成與傳遞途徑。

DNA雙螺旋結構由兩條鏈組成，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構，如同螺旋式上升的樓梯，而這些樓梯的“臺階”正是氫鍵。DNA分子的兩條鏈之間通過氫鍵結合，即通過一種稱為質子（氫原子的原子核）的亞原子粒子所提供的粘合劑，將被稱為堿基的分子連接在一起，以保持雙螺旋結構的穩定。

DNA雙螺旋結構與形成該結構的4種堿基

形成穩定螺旋結構的堿基對中有4種不同堿基，分別為：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。雙螺旋模型不僅表明了DNA分子結構，還提示了DNA復制的機制：由于腺嘌呤(A)總是與胸腺嘧啶(T)配對、鳥嘌呤(G)總是與胞嘧啶(C)配對，這說明兩條鏈的堿基順序是彼此互補的，只需確定其中一條鏈的堿基順序，就可確定另一條鏈的堿基順序。

通常情況下，堿基遵循著嚴格的配對規則（A與T、C與G配對），但如果氫鍵的性質略有變化，就可能導致前述配對規則被打破。如果該過程發生在雙鏈斷開前，就會導致堿基配對錯誤，引發基因突變。雖然克里克和沃森此前做出過預測，但直到今天，通過復雜的計算建模，科學家才得以準確地量化這一過程。

此次，來自英國薩里大學勒沃休姆量子生物學博士培訓中心(QB-DTC)的物理學家與化學家借助復雜的計算建模，表明前述基因突變（即DNA復制錯誤）可能是由于量子力學導致的。團隊使用了一種開放量子系統（open quantum systems）方法，來確定可能導致質子在DNA雙鏈之間跳躍的物理機制：基于量子物理學中的隧穿效應，質子才得以跳躍。相關成果發表在《自然》旗下期刊《通訊-物理》(Communications Physics)。

圖片來自《通訊-物理》(Communications Physics)

據了解，量子隧穿效應是指在某些特定條件下，微觀粒子“穿越”原本無法逾越的勢壘阻礙的現象。要理解隧穿，可以把勢壘想象成一座山。一個自身能量小于山峰勢能的微觀粒子位于山的左側，按照經典世界的常規經驗，這個粒子絕對爬不到山的右側。但過段時間再去觀察粒子，可能會發現它“穿山而過”抵達了右側，這種現象就是量子隧穿效應。隧穿效應也是現代電子學技術的基礎之一，比如掃描隧道顯微鏡就是根據隧穿效應原理所制成。

薩里研究小組表明，DNA雙鏈之間氫鍵的變化比此前認為的要普遍得多，其發生概率約為萬分之1.73。也就是說，質子可以相對輕易地跳躍到到雙鏈的另一側，即從能量壁壘一側的位置躍遷到另一側。如果這恰好發生在DNA復制過程的第一步，即兩條鏈被斷開之前，那么錯誤就會通過細胞內的復制機制，導致DNA錯配，即一條鏈上的堿基與另一條鏈上相應的堿基不互補，甚至發生突變。

互變異構體(Tautomeric)發生概率，圖片來自論文

以往科學家認為，量子隧穿效應不太可能發生在活體生物細胞內溫暖、潮濕和復雜的環境中。然而，奧地利物理學家歐文·薛定諤在1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life?)中提到，由于活體生物的表現與無生命物質不一樣，量子力學可以在生命系統中發揮作用。這項研究似乎證實了薛定諤的理論。

前述團隊確定，局部的細胞環境導致行為類似于波的質子被熱激活，并穿過能量壁壘。他們發現質子是連續并且非常迅速地在兩條鏈之間隧穿。之后，當DNA分裂成單獨的鏈時，一些質子被捕獲在錯誤的一側。

鳥嘌呤-胞嘧啶堿基對之間質子轉移反應示意圖，圖片來自論文

“DNA中的質子可以沿著DNA中的氫鍵隧穿，并修改編碼遺傳信息的堿基。這些修改過的堿基被稱為‘互變異構體’，可以在DNA裂解和復制過程中存活，導致‘轉錄錯誤’或突變。”英國薩里大學Louie Slocombe在博士學位期間進行了前述計算，并由薩里大學物理系教授Jim Al-Khalili和化學系博士Marco Sacchi指導。

Al-Khalil對此評價：“沃森和克里克在50多年前就推測了DNA中量子力學效應的存在以及重要性，然而這種量子力學效應在很大程度上被忽視了。”

“生物學家通常認為，只有在低溫和相對簡單的系統中，隧穿效應才能發揮重要作用。因此，他們傾向于低估DNA中的量子效應。通過我們的研究，我們相信已經證明了這些假設并不成立。”Sacchi博士說道。

前述研究成果表明了量子隧穿在基因突變中的重要性，以及質子的轉移在DNA突變中具有更加重要的作用，未來可能對目前的基因突變模型產生深遠影響。