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。
欧亚鸲(erithacusrubecula)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。
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。
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-olovlwdin)在发表在reviewsofmodernphysics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。
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)。
正常a-t碱基对(上)和互变异构化后的a-t碱基对(下)。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》(theblindwatchmaker)中提出的那样,evolutionisblind(演化是盲目的)。
可是在1988年,哈佛大学的生物学家johncairns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。
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johnjoemcfadden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。
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franktrixler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。
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。