癌症令人聞之色變，而量子力學又是大熱的研究領域，把癌症和量子力學結合在一起，很容易讓人產(chan) 生誇大其詞、嘩眾(zhong) 取寵的聯想。

但是一些學者卻指出，量子力學可能是 DNA 發生突變，導致複製錯誤的物理原理，他們(men) 還得到了一些證據。我們(men) 一起來看看這是怎麽(me) 回事。

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21世紀的化學家們(men) 大都同意，量子力學在化學中具有核心位置。比如，量子相幹和量子糾纏決(jue) 定了共價(jia) 鍵的形式。而化學又是生化過程的基礎，因此不難想象，量子力學也是生化反應的根基。

但是，隨著分子越來越大，量子相幹就變得難以維持，所以大多數生化過程並不需要用物理學來解釋，而隻要用經典的球棍模型就可以了。

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在20年前，想要用量子力學來解釋生物過程，不管是在物理學界還是在生物學界都會(hui) 遭到恥笑。當時的大多數學者認為(wei) ，量子力學在微觀上有用，在宏觀世界，比如生物世界的作用是微不足道的。

他們(men) 這樣看也不無道理。舉(ju) 個(ge) 例子，在微觀世界，粒子有一定幾率可以“穿牆”，這叫做量子隧穿。

雖然生物也是由粒子構成的，但是當粒子數增加時，穿牆的可能性也跟著減小了，因此我們(men) 在日常生活中是不可能見到有什麽(me) 生物能穿牆。

英國薩裏大學的物理學家 Jim Al-Khalili 回憶：“當時物理學的老前輩們(men) 讓我別碰這個(ge) 方向，他們(men) 認為(wei) 這太扯了。”

可是近20年來，研究者們(men) 發現了量子力學在某些生物過程中的重要作用，尤其是解決(jue) 了生物學的一個(ge) 大難題——光合作用的效率。

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在光合作用中，能吸收光子的光敏分子，如葉綠素叫做發色團。發色團吸收特定波長的光子，其中一小部分光子的能量被轉化為(wei) 熱量，也就是分子的振動，而大部分則變成了激子，也就是一種類似於(yu) 粒子的能量包。

傳(chuan) 統理論中，在葉綠素發色團（綠色）間傳(chuan) 遞的激子（紅色）一步一步走到反應中心（橙色）。圖片來源：LUCY READING-IKKANDA

激子這種能量包要被傳(chuan) 導到一個(ge) 集中處理站——光合反應中心，才能被用於(yu) 生命活動。可是，發色團聚集成了一個(ge) 類似於(yu) 太陽能板的陣列——天線色素（見上圖），而某個(ge) 發色團產(chan) 生的激子要到達光合反應中心，需要穿越其他發色團。

傳(chuan) 統生物理論認為(wei) ，激子在發色團之間的傳(chuan) 遞像是隨機亂(luan) 傳(chuan) 的擊鼓傳(chuan) 花，從(cong) 一個(ge) 發色團傳(chuan) 給另一個(ge) ，直到最後到達光合反應中心。這個(ge) 過程叫做 Förster 耦合。

可是問題來了，激子要經曆成百上千的發色團才能到達目的地，而每轉手一次，就會(hui) 損失一次能量。也就是說，走的冤枉路越多，光合作用的效率就越低。如果光合作用的能量傳(chuan) 輸過程真的如此，那麽(me) 它的理論效率就隻有50%。

但是，光合作用的效率是95%，超過人類已知的其他能量轉化效率，而且發生十分迅速，這是傳(chuan) 統理論無法解釋的矛盾。

加州大學伯克利分校勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室的物理學家 Graham Fleming 如此駁斥傳(chuan) 統模型：“經典的跳躍模型不正確也不充分，它對真實過程的描述是錯誤的，而且缺失了對光合作用無與(yu) 倫(lun) 比的效率的解釋。”

可是長久以來，大家認為(wei) 這個(ge) 過程中沒有量子力學什麽(me) 事兒(er) 。但是在2007年，這種看法被打破了。Fleming 的團隊利用能進行光合作用的綠硫細菌 Chlorobium tepidium 發現，激子的傳(chuan) 遞過程實際上利用的是量子相幹性。

圖片來源：britannica

原來，激子具有波粒二象性，它類似於(yu) 一個(ge) 向四麵八方傳(chuan) 播的漣漪，可以同時探索池塘內(nei) ，也就是天線色素中的各種通道，找到到達光合反應中心最有效的一條途徑。

在量子理論中，激子可以同時計算各種路徑，找到到達光合反應中心（橙色）最有效的那一條。 圖片來源：LUCY READING-IKKANDA

Fleming 解釋：“量子相幹性在光合作用的能量傳(chuan) 遞過程中起到了很大的作用，揭示了能量傳(chuan) 輸的效率。（激子）可以同時搜索所有的能量傳(chuan) 輸通道，找到其中最有效率的那條。”

2010年，多倫(lun) 多大學的化學研究者 Gregory Scholes 和同事發現，海洋中隱藻門藻類也具有類似的量子相幹性。

就這樣在短短的20年裏，量子生物學的名詞被創造了出來，並成了一個(ge) 欣欣向榮的學科分支。研究者們(men) 也發現了越來越多的傳(chuan) 統理論無法解釋，但可由量子力學解釋的生物現象，比如酶的催化效率、嗅覺的機製、鳥類對地球磁場的感受。

歐亞(ya) 鴝（Erithacus rubecula）能感受地球的磁場，但卻無法分辨南北，這個(ge) 現象很難用經典理論解釋，但卻可以用量子力學說明。圖片來源：pixabay

其中，量子力學能解釋的一個(ge) 重要問題，就是 DNA 突變。

DNA 的雙螺旋結構類似於(yu) 一個(ge) 旋轉上升的梯子，梯子的每個(ge) “台階”實際上是氫鍵。氫鍵其實就是連接左右兩(liang) 個(ge) 堿基的一個(ge) 質子，而這個(ge) 質子通常略微更靠近台階的某一邊。

DNA 上的氫鍵和堿基（AGCT） 圖片來源：harvard.edu

1963年，諾貝爾物理學獎委員會(hui) 成員、瑞典物理學家佩爾-奧洛夫·勒夫丁（Per-Olov Löwdin）在發表在 Reviews of Modern Physics 上的一篇文章中提出一種理論設想：在 DNA 複製的過程中，氫鍵上的質子可能處於(yu) 某些量子態之中，如果這個(ge) 質子靠近“台階”錯誤的一邊，那麽(me) DNA 就會(hui) 發生變異，而質子的這種錯誤可由量子隧穿實現。

具體(ti) 來說，在 DNA 複製時，堿基之間的氫鍵斷裂，可以和新的核苷酸組合。正常情況下，堿基 A（腺嘌呤）和 T（胸腺嘧啶）結合，C（胞嘧啶）和 G（鳥嘌呤）結合。

但是，核苷酸可能因為(wei) 質子隧穿而發生改變，A 就會(hui) 變成 A*，T 變成 T*。讓勒夫丁感到擔憂的質子的這種亂(luan) 來就叫做互變異構化（tautomerization）。

正常A-T堿基對（上）和互變異構化後的A*-T*堿基對（下）。圖片來源：（DOI）10.1039/C5CP00472A 

別看隻是頭上戴了朵花，整個(ge) 堿基的氣質都會(hui) 發生變化。和 A 不同，A* 不願意和正經對象 T 結合，而更容易和 G 的對象 C 結合。而 T* 也看不上 A，更容易和 G 結合，整一個(ge) 大亂(luan) 燉，這就會(hui) 導致突變。

勒夫丁的這種設想有沒有道理呢？30年後出現了一些間接證據。

在過去，生物學家接受的普遍教育是，突變應該是隨機發生的，因此各種突變的發生概率應該差不多，正如理查德·道金斯在著作 《盲眼鍾表匠》（The Blind Watchmaker）中提出的那樣，evolution is blind（演化是盲目的）。

可是在1988年，哈佛大學的生物學家 John Cairns 和同事發現了一個(ge) 不符合傳(chuan) 統進化論的奇特現象：大腸杆菌（E. coli）可以迅速獲得有利突變。

他們(men) 將無法消化乳糖的大腸杆菌放在隻有乳糖的培養(yang) 皿裏。結果，這些大腸杆菌出現了能夠消化乳糖的突變，而這個(ge) 突變的發生速度遠超理論預期，也就是突變隨機發生的情況。他們(men) 的這一研究發表在 Nature 上。

大腸杆菌 圖片來源：wikimedia

為(wei) 了解釋結核菌的這種奇怪突變，英國薩裏大學的生物學家 Johnjoe McFadden 想到，這或許和量子力學有關(guan) 。於(yu) 是，他開始向該校物理係的學者們(men) 求助。Al-Khalili 對 McFadden 的看法很感興(xing) 趣，就這樣，兩(liang) 人開始搭夥(huo) 研究。

利用勒夫丁的理論，Al-Khalili 和 McFadden 提出，實際上在觀測之前，DNA 氫鍵上的質子處於(yu) 疊加態中，也就是說它並沒有確定自己會(hui) 倒向突變的那一邊，還是沒有突變的那一邊。

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以不會(hui) 吃乳糖的大腸杆菌為(wei) 例。在遇到乳糖前，大腸杆菌處於(yu) 既有可能消化乳糖，也有可能無法消化乳糖的疊加態。Al-Khalili 和 McFadden 繼而通過計算指出，乳糖分子的存在使質子的狀態向能夠消化乳糖的方向塌縮，這就解釋了為(wei) 什麽(me) 大腸杆菌的變異速度超過經典理論的預期。

在這些研究的鼓舞下，一些雄心勃勃的研究者認為(wei) ，在攻克癌症方麵量子力學將是一個(ge) 突破口。2013年，慕尼黑大學的化學家 Frank Trixler 甚至提出，DNA 的氫鍵上發生的質子隧穿現象正是物種演化的起源。

圖片來源：wikimedia

不過，關(guan) 於(yu) 量子世界是否支配一些基本的生物過程，學術界還有相當大的爭(zheng) 議。量子生物學需要更多的證據才能支撐這些大而美的假說。

在謎底揭曉前，讓我們(men) 暫時享受這疊加著期待和懷疑的奇妙等待吧。

常因不夠變態而感到和環境格格不入？可能是你的 DNA 還沒有學會(hui) 量子隧穿。


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