量子力学揭示了进化的秘密：一种特殊的量子效应可以导致基因突变

现代进化论告诉我们，如今地球上包括我们人类在内的所有生命，都是由远古的原始生命进化而来，而影响生命进化历程的有两大关键因素，一是基因突变，二是自然选择。简单来讲就是，基因突变可以让生命在代代繁衍的过程中不断地出现新的性状，而这些新的性状会经受自然选择的考验，其中适合环境的就能够延续下来，其它的则被淘汰。由此可见，基因突变是生命进化的“原动力”，总的来讲，基因突变可分为外部因素诱发突变和自发突变。长久以来，科学家们一直在研究基因自发突变的内在机制，近日一项发表在《物理化学化学物理》的研究表明，量子力学揭示了进化的秘密：一种特殊的量子效应可以导致基因突变，我们来看一看具体是怎么回事。如上图所示，基因其实就是DNA片断，DNA是一种携带着遗传信息的大分子聚合物，它具有双链结构，与蛋白质一起组成了生命细胞内的遗传物质聚合体——染色体，而DNA的基本化学结构则是碱基对，组成DNA的碱基分为四种，分别为腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）以及胸腺嘧啶（T）。DNA的双螺旋结构通过碱基之间的氢键来稳定，而氢原子与碱基分子之间的吸引力却相对较弱，它们的连接可以被微观粒子的热运动破坏，随着温度的升高，氢原子就可能会被“弹”开，从而转移到一个新的位置上。在这个过程中，氢原子的电子会被碱基分子留住，我们知道，氢原子只有一个质子和一个电子，因此在氢原子转移到新位置的过程中，其实就是单个质子的移动，这种现象被科学家称为“质子转移”（如下图所示）。科学家认为，当“质子转移”发生之后，有时会建立起一种临时的氢键，而如果DNA复制的时候正好遇到了这种情况，那么基因的“拼图”就会出现错误，从而导致了基因突变。那这跟量子力学有什么关系呢？我们接着看。由于碱基分子结构，氢原子总是会趋向于一个“稳定”的位置，而“质子转移”则会让氢原子移动到一个“不稳定”的位置，科学家将氢原子从“稳定”位置转变为“不稳定”位置所需要的能量阈值称为“能量屏障”，也就是说，只有氢原子的能量高于这个“能量屏障”，“质子转移”才可能会导致基因突变。研究表明，根据经典力学建立起的计算机模拟程序显示，正常情况下，碱基分子结构中的氢原子所具备的能量几乎不可能突破“能量屏障”，所以我们必须考虑一种特殊的量子效应——量子隧穿效应（Quantum
tunneling effect）。为了方便理解，我们不妨将“能量屏障”比作一个紧固的障碍物，将碱基分子结构中的氢原子比作一个小球，在经典力学中，只有小球的能量超过了这个障碍物顶部的势能，它才可以通过。而在量子力学中，即使是在这个小球的能量低于障碍物顶部势能的情况下，它也有一定的几率直接穿过障碍物，这就被称为量子隧穿效应。参与该研究的生物学家路易.斯洛克姆（Louie
Slocombe）指出，目前他们的研究项目暂时还只能在单个碱基和碱基对的水平上进小规模的建模，在他们的计算范围内，如果不考虑量子隧穿效应，那么由“质子转移”导致基因突变的几率将“非常非常接近于零”。值得一提的是，量子隧穿效应并非只存在于进化的秘密中，实际上，这种特殊的量子效应早已得到一定的应用，比如说扫描隧道显微镜（STM）就是利用了这一原理。除此之外，太阳的发光发热也与量子隧穿效应息息相关，我们知道，太阳的能量来自于其内部的核聚变，而根据科学家的计算，太阳核心的温度只有1500万摄氏度，而氢原子核的聚变温度却需要至少1亿摄氏度，这就意味着，如果没有量子隧穿效应的存在，太阳内部是无法点燃核聚变的。本文参考资料：