DNA中的量子效应

我们的身体之所以得以构筑，我们的生命之所以能代代相传，都离不开DNA以惊人的精度不断复制。但是，这个过程难免会出现错误，从而带来遗传上的突变。

一些粗略的估计认为，DNA大约每复制10⁸-10¹¹个碱基，就会发生一次随机突变。这听起来似乎是一种非常罕见的情况，但考虑到每个人体细胞中的DNA大约有30亿个碱基长，每天要复制约两万亿次，突变似乎也没那么“罕见”了。

对人体而言，一些突变可能无关紧要，但还有一些则有可能造成严重的健康后果，比如出生缺陷和癌症。许多科学家也因此迫切地希望了解这一过程。

近日，一组跨学科的研究团队利用复杂的理论物理模型，在原子层面揭示了DNA复制中的一些细节。他们走向了量子生物学这一新兴的跨学科领域，探索量子力学如何在活细胞中发挥作用。发表在《自然·通讯物理》的论文认为，这种复制错误之所以会出现，可能正是因为量子世界的奇怪规则。

  双螺旋结构  

众所周知，DNA具有一种双螺旋的构造。它的两条链被质子，也就氢原子的原子核，连接在一起，它们提供了将碱基粘合在一起的“胶水”，被称为氢键。这些氢键就像一个扭曲的梯子的阶梯，帮助构筑了我们所见的立体结构。

DNA结构。（图／Zephyris, Wikimedia Commons, CC BY-SA）

通常情况下，这些DNA链上的碱基（A、C、T和G）的结合方式遵循严格的规则，也就是A-T和C-G。这种严格的配对是由分子的形状决定的，就像一块块拼图一样把它们拼在一起。但是，如果氢键的性质稍有变化，就会导致配对规则被打破，从而出现错误的碱基被连接，产生突变。

  质子隧穿  

在新研究中，团队发现，DNA链之间的这种修改比人们认为的要普遍得多。

DNA中的氢键就像质子的一条“隧道”，质子可以沿着氢键“跳跃”。研究人员使用了一种被称为开放量子系统的方法，来确定可能导致质子在DNA链之间跳跃的物理机制。

他们发现，正是由于一种被称为隧穿的量子机制，质子可以很容易地从能量势垒一侧的常规位置跃到另一侧。遂穿是一种微观世界特有的现象。我们可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照经典世界的经验，这个粒子绝对爬不到右侧。但是当你过段时间再去观察这个粒子，你可能会发现它通过“穿山而过”成功抵达了右侧。

量子隧穿效应示意图。（图／毛尖尖, 原理）

事实上，质子被发现在两条链之间连续且非常迅速地来回隧穿。然后，当DNA被切割成独立的链时，一些质子被“卡”在了错误的一边，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，它们可以在细胞的复制机制中“蒙混过关”，在解旋和复制过程中留下来，导致所谓的DNA错配，并有可能产生突变。

G-C质子隧穿过一个特定的势垒。（图／Slocombe et al. 2022）

先前人们一直认为，这种量子行为不可能在温暖、湿润且复杂的活细胞环境中发生，遂穿效应仅仅在低温和相对简单的系统中发挥作用。但新研究认为，局部细胞环境导致了质子被热激活，并激发它们穿过能量势垒。

  生物体内的量子力学  

沃森和克里克在50多年前就推测了DNA中量子力学效应的存在和重要性，但直到现在，复杂的计算模型才能够准确地量化这一过程。

再将时间往前推，早在20世纪中叶，著名物理学家薛定谔已经在《生命是什么》一书中提出，量子力学可以在生命系统中发挥作用。

我们也有理由相信，量子生物学在未来或许能为我们揭示更多生命的秘密。