量子生物学

第四节　量子生物学

1970年在国际量子生物学会成立大会上指出，量子生物学就是以量子力学作为工具在生物学问题上的应用。因此也可以说，量子生物学就是在电子水平上研究生物现象的一门学科。

一、量子生物学的发展

1938年，德国的施米茨注意到了致癌芳香族碳氢化合物的电子分布和其致癌活性有关。1939年量子力学的创建人之一乔丹提出“突变（Mutation）是一种量子过程”。1945年以来，法国的普尔曼等人开始了多环芳香烃致癌物质的量子力学研究。20世纪50年代里，用量子化学的简单休克尔理论（HMO）研究了大量的共轭生物分子。

进入20世纪60年代后，由于分子生物学的飞速发展，又由于精确的量子化学计算方法的发展和电子计算机的进展，使得相当多的具有生物活性的有机分子的定量处理成为可能。人们进行了大分子构象、酶作用机制、核酸和蛋白质的结构与功能、药物分子的结构与活性以及突变等方面的研究。

近年来量子生物学的发展有了一些重要的新趋势。这主要表现在两个方面：一是人们逐渐认识到生物大分子的结构与性能不只决定于生物分子本身，而且受环境的影响很大。因此，要研究生物分子的结构与功能必须连同其周围环境（水、无机离子等）一起考虑，从而发展了多种处理环境影响的模型方法。近年来提出的“微观超分子模型”就是典型的例子。二是人们注意到研究生物分子不只要研究其静态结构，更重要的是在静态的结构基础上研究动态过程。为了适应这种新趋势，统计物理、计算物理等概念与技术开始渗透到量子生物学研究中。比如，近几年将蒙特卡罗方法、分子动力学方法与量子化学计算结合起来研究生物分子体系也取得了重要的成果。

二、量子生物学的研究内容

（一）分子间和分子内的相互作用力

从物理学的观点看来，在自然界的四种基本相互作用中，量子生物学所涉及的只是电磁力，说得更确切一点，主要是静电力。生物物理学家习惯上又把静电力分为强力和弱力。强力指离子键、共价键等，弱力则包括范德华力、偶极力、极化力、氢键等。通常强力维持着分子的基本结构，弱力则维持着分子的构象。那么DNA的双螺旋结构是如何维系的呢？近年来一些科学家做了定量的理论分析，认为互补碱基对间的氢键键能、相邻碱基对之间的堆积能、构象能和水合能都对DNA的构象有所贡献，但以构象能的影响较大。

人们知道，就一种生物而言，细胞中染色体的数量、大小、形状都是一定的，这已经成为现代分类学与病理学的重要依据。然而结构如此严密的染色体却是由比它长几千甚至上万倍的DNA链反复缠绕而形成的。有人提出了染色体的结构模型：长约200个碱基对的DNA链缠绕在组蛋白小球上形成直径为10纳米的核小体，每6个核小体绕成一圈组成直径约为30纳米的螺线管，这种螺线管又盘绕成直径约为400纳米的超螺线管，最后再经过一次扭曲就形成了染色体。这些有序的变化总共使得染色体体积仅为DNA整体体积的1/8000～1/10000，可以想象，这种相互作用是多么巧妙！在细胞分裂时，染色体又要重新变为染色丝，以便于DNA的解链用于复制。这些过程也是同样有趣和巧妙的，通常具有几百万圈的DNA右手双螺旋要在几小时内完成解链过程，有人估计这相当于每分钟DNA转上万次。如此有序而又高度协同的运动是如何实现的，现在仍没有完全了解清楚。

染色体结构

当然，对生物分子间及分子内相互作用力和作用关系的研究也有助于说明生物是否遵守物理学的规律，它是否有独立的新的相互作用力这样的自然科学的哲学问题。

（二）生物分子的结构与构象

通常认为生物大分子的一级结构决定了它的高级结构，在一级结构确定时，研究生物大分子的构象（特别是溶液构象）是阐明生物大分子功能的重要环节。早在20世纪60年代初科学家就用接触距离及经验位函数法研究了核酸构象，普尔曼等人对核酸的大分子片断作整体计算得到的能量最低的构象与X射线晶体分析的结果也是一致的。

（三）特异作用与识别过程

生物体内的反应都是高度特异、高度专一与高度协同的，这不只表现在酶与底物的反应，就是抗原与抗体的反应、作用原与受体的反应、操纵子与阻遏物的反应也无不如此。只有这种选择性才能保证生命活动的高度有序性，显然生物反应高度特异性的原因，是由于这些分子间的相互作用。用量子化学方法研究这一问题是较好的方法。

细胞表面识别

当前对发生在细胞表面的识别作用的研究是十分重要的，大家都知道肿瘤除了恶性生长之外，更严重的是扩散。扩散的原因就是细胞间失去了识别能力，这与细胞膜上细胞表面的糖蛋白等复合蛋白质的结构改变有关，所以研究识别作用也有明显的实际意义。

（四）能量转移过程

整个生物圈接受能量的总窗口是日光，最基本的方式是光合作用，所以光能的接收与转移是生物学的基本问题。人和很多动物接受外界信息主要靠视觉，研究表明，人所接收的外界信息约90％来自视觉，所以光能的接收与转移也是生物与环境进行信息交流的基本过程。另外放射生物学的核心也是研究高能粒子、电离辐射等所携带的能量在生物机体中的迁移。上述这些重要生命过程的原发过程都是量子过程，因而也是量子生物学的研究对象。

（五）生物分子反应活性的研究

生物分子的反应活性是直接与它的电子结构密切相关的。例如通过对ATP的计算，得到了磷酸键上由于共振能等的贡献，确实具有很高的能量且易于水解，这个结论与实际一致。

普尔曼早年计算了各种碱基的共振能，得到的每个电子的共振能恰恰与实验结果的辐射抗性大小的次序完全一致。近年来对药物分子的电子结构研究的较多，而且也见到不少的实际应用途，当然量子生物学所涉及的内容并不止这些。

总之，量子生物学是一门生物学、物理学和化学的交叉学科，它正在发展之中，目前还不够完备，这主要反映在生物系统是高度复杂与特异的，也反映生物体是无时无刻不在运动之中的。因此简单的定态的量子力学关系对研究这样复杂的体系显然是不够的，而多体问题的数学难题更增加了量子生物学的困难，必须将物理学中处理大量粒子体系的方法，处理含时系统的方法，处理非线性体系的方法不断地引入到生物学的研究中。当然这些工作目前正在开展，并且也正在迅速取得进展，我们确信，量子生物学会是一个不断创新的领域，因而能够得到不断发展。