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  • 1 # 使用者1383642094454

    適合。目前,在DNA研究方向,量子力學主要應用在解釋DNA的點突變。

    DNA分子是大量鹼基對連線的雙螺旋結構。你也可以把它想象成一個螺旋狀的梯子,而每一級階梯就是兩個匹配的鹼基構成的鹼基對。

    DNA的變異有很多種,比如一段DNA被複制,刪除或者替換等等。其中最簡單的就是點突變(point mutation),也就是單個鹼基對的突變。點突變其實也有若干型別。如果我們湊近點看,往往會發現,推動這些變異的都是各種如幽靈般撲朔迷離的量子效應。

    下面來看兩個例子吧。

    1. 漂移的電子空穴——彌散的機率雲

    當高頻電磁波(如X射線)照射到一個鹼基上,光子攜帶的能量足以把一個電子從這個鹼基上轟走。這樣,原來這個電子的位置就產生了一個電子空穴。由於那個被迫流離失所的電子是帶負電的,所以你可以把這樣一個空穴看成是一個帶正電的粒子。

    電子空學穴可以在不同的原子甚至鹼基之間遊走,形成電流。這種電子空洞可以對鹼基造成傷害。比如,帶有空穴的鳥嘌呤可以和水發生化學反應,改變自己的結構,從而引發DNA變異。這樣的變異多數是有害的。

    根據這種經典物理理論,電子空穴是局域性的——它只能作用於它當前存在的單個鹼基。然而,實驗結果卻總是和這種理論預測有出入。毫無疑問,這個理論並不準確。

    這時候,量子力學帶著新的解釋閃亮登場了:電子空穴和電子(以及其他微觀粒子)一樣,並沒有一個確定的位置,而是同時以不同機率出現在不同的位置,也就是說,它會彌散成一朵機率雲。雲的中心,空穴出現的機率最大;距離雲的中心越遠,空穴出現的機率越小。

    根據這個理論,一個電子空穴覆蓋的範圍就大大擴充套件了。一個空穴可以同時對至少4個鹼基產生影響。而實驗結果完美地驗證了這一預測。

    2. 跳躍的質子——量子隧穿

    四種鹼基都有自己特殊的形狀,所以一種都只能和特定的鹼基構成鹼基對:腺嘌呤-胸腺嘧啶,胞嘧啶-鳥嘌呤。從下圖的腺嘌呤-胸腺嘧啶鹼基對可以看出,氫原子和同一個鹼基中的其他原子是由共價鍵連線的,而鹼基之間是由氫鍵連線起來的(圖中的虛線)。

    相對來說,氫原子和其他原子之間的共價鍵(比如上圖中的N-H)比較弱,在某些極端的情況下會斷開,從而讓氫原子被氫鍵另一頭的原子奪走,變成另一個鹼基的成員。當這種質子(即氫原子核)叛逃敵營的情形出現的時候,鹼基對中的兩個鹼基都會發生變異。

    看起來質子跳躍似乎不難,但是實際上並不容易。在DNA複製過程中,平均10000到100000次鹼基對中,才可能出現一次質子跳躍。而且變異的鹼基對很不穩定,在50到200微秒之內,那個叛逃的質子就會因為思家心切,啟程回家,讓這個鹼基對回覆原狀。

    上圖是一個質子跳躍變異的例子。通常鳥嘌呤(G) 和胸腺嘧啶(T)是無法構成鹼基對的,因為它們都有一個突出的氫原子,導致兩個鹼基相互排斥。然而,如果胸腺嘧啶中那個氫原子跳躍到鳥嘌呤中的氧原子身邊,問題就解決了。這樣,兩個本來不相容的鹼基就可以共享它們短暫的甜蜜時光了。

    然而,生物學和經典物理理論都無法解釋,質子跳躍是怎麼發生的。質子跳躍需要跨越強大的勢壘,而質子本身的能量是遠遠不夠的。質子是從哪裡獲得的能量來完成這個驚世一躍呢?部分物理學家相信,是量子隧穿在背後悄悄推動這一奇蹟。在極小的機率下,粒子可以悄無聲息地穿越勢壘,不消耗一點能量。儘管量子隧穿發生的機率很小,但是在存在大量氫原子和氫鍵的DNA中,這個機率就不能忽視了。

    這個理論並沒有完全得到證實。物理學家為之設計了各種實驗。比如一個實驗是這樣的:在重水中培養的細菌只含有氫的同位素氘,它的原子核不僅有一個質子,還有一箇中子,所以氘原子核的質量大約是氕原子核質量的兩倍。這樣沉重的粒子,要完成隧穿的難度要大得多。可以推斷的是,重水細菌發生變異的機率也比普通細菌要低。

    實驗結果表明,量子隧穿對質子跳躍的推動作用似乎是成立的,但是還不足以證實。我們只能等待將來的實驗能給出肯定的答覆了。

    其實,除了遺傳學,量子力學在生物學領域還有很多其他的應用,這裡就不一一贅述了。

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