癌症令人闻之色变，而量子力学又是大热的研究领域，把癌症和量子力学结合在一起，很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想。
但是一些学者却指出，量子力学可能是 DNA 发生突变，导致复制错误的物理原理，他们还得到了一些证据。我们一起来看看这是怎么回事。
21 世纪的化学家们大都同意，量子力学在化学中具有核心位置。比如，量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式。而化学又是生化过程的基础，因此不难想象，量子力学也是生化反应的根基。
但是，随着分子越来越大，量子相干就变得难以维持，所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释，而只要用经典的球棍模型就可以了。
在 20 年前，想要用量子力学来解释生物过程，不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑。当时的大多数学者认为，量子力学在微观上有用，在宏观世界，比如生物世界的作用是微不足道的。
他们这样看也不无道理。举个例子，在微观世界，粒子有一定几率可以“穿墙”，这叫做量子隧穿。
在光合作用中，能吸收光子的光敏分子，如叶绿素叫做发色团。发色团吸收特定波长的光子，其中一小部分光子的能量被转化为热量，也就是分子的振动，而大部分则变成了激子，也就是一种类似于粒子的能量包。
传统理论中，在叶绿素发色团（绿色）间传递的激子（红色）一步一步走到反应中心（橙色）。图片来源：LUCY READING-IKKANDA
激子这种能量包要被传导到一个集中处理站 —— 光合反应中心，才能被用于生命活动。可是，发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列 —— 天线色素（见上图），而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心，需要穿越其他发色团。
传统生物理论认为，激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花，从一个发色团传给另一个，直到最后到达光合反应中心。这个过程叫做 Förster 耦合。
原来，激子具有波粒二象性，它类似于一个向四面八方传播的涟漪，可以同时探索池塘内，也就是天线色素中的各种通道，找到到达光合反应中心最有效的一条途径。
在量子理论中，激子可以同时计算各种路径，找到到达光合反应中心（橙色）最有效的那一条。 图片来源：LUCY READING-IKKANDA
Fleming 解释：“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用，揭示了能量传输的效率。（激子）可以同时搜索所有的能量传输通道，找到其中最有效率的那条。”
2010 年，多伦多大学的化学研究者 Gregory Scholes 和同事发现，海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性。
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（Erithacus rubecula）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。图片来源：pixabay
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-Olov Löwdin）在发表在 Reviews of Modern Physics 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）。图片来源：（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》（The Blind Watchmaker）中提出的那样，evolution is blind（演化是盲目的）。
可是在 1988 年，哈佛大学的生物学家 John Cairns 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 Johnjoe McFadden 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 Frank Trixler 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。
图片来源：wikimedia
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。
参考资料储存于石墨：
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https://shimo.im/docs/CC3jxTV6TJcwRtPt/
本文来自微信公众号：把科学带回家 （ID：steamforkids），作者：七君