量子力学适用于 DNA 尺度的分子吗？ 第1页

适合。目前，在DNA研究方向，量子力学主要应用在解释DNA的点突变。

DNA分子是大量碱基对连接的双螺旋结构。你也可以把它想象成一个螺旋状的梯子，而每一级阶梯就是两个匹配的碱基构成的碱基对。

DNA的变异有很多种，比如一段DNA被复制，删除或者替换等等。其中最简单的就是点突变（point mutation），也就是单个碱基对的突变。点突变其实也有若干类型。如果我们凑近点看，往往会发现，推动这些变异的都是各种如幽灵般扑朔迷离的量子效应。

下面来看两个例子吧。

1. 漂移的电子空穴——弥散的概率云

当高频电磁波（如X射线）照射到一个碱基上，光子携带的能量足以把一个电子从这个碱基上轰走。这样，原来这个电子的位置就产生了一个电子空穴。由于那个被迫流离失所的电子是带负电的，所以你可以把这样一个空穴看成是一个带正电的粒子。

电子空学穴可以在不同的原子甚至碱基之间游走，形成电流。这种电子空洞可以对碱基造成伤害。比如，带有空穴的鸟嘌呤可以和水发生化学反应，改变自己的结构，从而引发DNA变异。这样的变异多数是有害的。

根据这种经典物理理论，电子空穴是局域性的——它只能作用于它当前存在的单个碱基。然而，实验结果却总是和这种理论预测有出入。毫无疑问，这个理论并不准确。

这时候，量子力学带着新的解释闪亮登场了：电子空穴和电子（以及其他微观粒子）一样，并没有一个确定的位置，而是同时以不同概率出现在不同的位置，也就是说，它会弥散成一朵概率云。云的中心，空穴出现的概率最大；距离云的中心越远，空穴出现的概率越小。

根据这个理论，一个电子空穴覆盖的范围就大大扩展了。一个空穴可以同时对至少4个碱基产生影响。而实验结果完美地验证了这一预测。

2. 跳跃的质子——量子隧穿

四种碱基都有自己特殊的形状，所以一种都只能和特定的碱基构成碱基对：腺嘌呤-胸腺嘧啶，胞嘧啶-鸟嘌呤。从下图的腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对可以看出，氢原子和同一个碱基中的其他原子是由共价键连接的，而碱基之间是由氢键连接起来的（图中的虚线）。

相对来说，氢原子和其他原子之间的共价键（比如上图中的N-H)比较弱，在某些极端的情况下会断开，从而让氢原子被氢键另一头的原子夺走，变成另一个碱基的成员。当这种质子（即氢原子核）叛逃敌营的情形出现的时候，碱基对中的两个碱基都会发生变异。

看起来质子跳跃似乎不难，但是实际上并不容易。在DNA复制过程中，平均10000到100000次碱基对中，才可能出现一次质子跳跃。而且变异的碱基对很不稳定，在50到200微秒之内，那个叛逃的质子就会因为思家心切，启程回家，让这个碱基对回复原状。

上图是一个质子跳跃变异的例子。通常鸟嘌呤（G) 和胸腺嘧啶（T）是无法构成碱基对的，因为它们都有一个突出的氢原子，导致两个碱基相互排斥。然而，如果胸腺嘧啶中那个氢原子跳跃到鸟嘌呤中的氧原子身边，问题就解决了。这样，两个本来不相容的碱基就可以共享它们短暂的甜蜜时光了。

然而，生物学和经典物理理论都无法解释，质子跳跃是怎么发生的。质子跳跃需要跨越强大的势垒，而质子本身的能量是远远不够的。质子是从哪里获得的能量来完成这个惊世一跃呢？部分物理学家相信，是量子隧穿在背后悄悄推动这一奇迹。在极小的概率下，粒子可以悄无声息地穿越势垒，不消耗一点能量。尽管量子隧穿发生的概率很小，但是在存在大量氢原子和氢键的DNA中，这个概率就不能忽视了。

这个理论并没有完全得到证实。物理学家为之设计了各种实验。比如一个实验是这样的：在重水中培养的细菌只含有氢的同位素氘，它的原子核不仅有一个质子，还有一个中子，所以氘原子核的质量大约是氕原子核质量的两倍。这样沉重的粒子，要完成隧穿的难度要大得多。可以推断的是，重水细菌发生变异的概率也比普通细菌要低。

实验结果表明，量子隧穿对质子跳跃的推动作用似乎是成立的，但是还不足以证实。我们只能等待将来的实验能给出肯定的答复了。

其实，除了遗传学，量子力学在生物学领域还有很多其他的应用，这里就不一一赘述了。

除了 @Mandelbrot 提到的隧穿效应，DNA中的氢原子还有另一个很明显的量子效应，也就是零点能（Zero Point Energy）。

原子的运动实质上就是温度的微观体现。从能量均分定律可知，原子的平均动能应该和温度成正比。

按理说，在绝对零度下，所有的原子都应该是固定不动的，动能严格为零。

可实际上，由于不确定性原理的存在，束缚态下物质的动量不能是精确值，基态的动能并不为零。

低温下被化学键束缚住的原子都在能量最低点附近做微小振动，因此可以近似的当初简谐振动处理。

谐振子的薛定谔方程还是很好解的，一维谐振子的基态能级 。

对于同样强度的化学键， 随振子质量的降低而升高，零点能也就随之升高。

因此，氢作为质量最轻的元素，其零点振动效应也就最明显。零点能可达到0.3 eV左右，已经能和一些弱的化学键键能相提并论了。

所以啊，我在这里以一个（被审稿人用零点能怼过很多次的）长者的身份提醒你们，如果不考虑氢元素的量子效应，论文上对DNA能量的报道出现了偏差，你们可是要负责的。