量子力学对基因突变的影响

基因编码

请再看一眼图6-1的下半部分。你会发现，图中的氢键，即共用的氢原子，在配对碱基的两个原子之间以虚线表示（氢原子H与氧原子O或氮原子N）。但质子难道不是一个粒子吗？为什么要把氢键画成虚线而非单独的一个点呢？原因在于，质子作为量子主体，同时具有粒子和波的性质。质子会像一个弥散的主体一样离域，或是像波一样在两个碱基间波动。图6-1中H原子的位置是H原子最可能出现的位置，这个位置并不在两个碱基的正中间，而是偏向于某一边，离双链中的某一条链更近。这种不对称性使DNA具有了一项极其重要的特征。

互变异构体

tautomer

将成对的碱基结合在一起的两个质子分别跳到所在氢键的另一侧，它们就会更靠近与之前相反的碱基，这样形成碱基的另外一种存在形式，被称为互变异构体。

假设有一个碱基对，比如A-T碱基对，A在一条链上，T在另一条链上，靠两个氢键（质子）结合在一起，其中一个质子更靠近A中的氮原子，另一个质子更靠近T中的氧原子（如图6-2a所示），使A和T间的氢键得以形成。但注意，在量子世界中“更近”是一个难以界定的概念，因为量子世界中的粒子并没有固定的位置，而是以一定的概率同时存在于许多不同的地方，包括只能通过隧穿才能到达的地方。如果将遗传字母结合在一起的两个质子分别跳到所在氢键的另一侧，那么，它们便会更靠近与之前相反的碱基，结果会形成碱基的另外一种存在形式，被称为互变异构体（tautomer，如图6-2b所示）。因此，每个DNA碱基既以常见的标准形式存在（如沃森和克里克构筑的双螺旋结构中的碱基），也会以更稀少的互变异构体存在（在互变异构体中，形成氢键的质子位移到了新的位置）。

标准A-T碱基对，质子处于常见位置配对质子跳到螺旋双链的对侧，形成了A-T碱基对的互变异构体

图6-2　A-T碱基对的标准形式和互变异构体

但请注意，正是DNA中形成氢键的质子形成了碱基配对的特异性，而碱基配对是遗传密码复制的途径。因此，如果配对的编码质子移动到相反的方向，它们就可以有效地重写遗传密码。比如，如果DNA链中的一个遗传字母是T（胸腺嘧啶），那么，当它以常见型出现时，会正确地与碱基A配对。但是，如果配对碱基中形成氢键的两个质子分别交换位置到对侧，那么T和A都会以互变异构体的形式存在。当然，质子可能还会跳回来。但如果DNA链正在复制时，A和T正好以它们罕见的互变异构体存在，则在合成的DNA新链中便可能会嵌入错误的碱基对。[58]胸腺嘧啶T的互变异构体可以与鸟嘌呤G配对，而非腺嘌呤A，因此在新链中原本应该是A的位置便由G取代了。同理，如果DNA复制时，A正好是互变异构体，则会与C配对，而不是T，因此复制出的新链中本应是T的地方就成了C（如图6-3所示）。无论怎样，新的DNA链中便出现了基因突变——可遗传给后代的DNA序列改变。

T*所示是T的烯醇式互变异构体，以该形式存在的T可以错误地与G配对，而非正常地与A配对。同理，A的互变异构体A*可以错误地与C配对，而不是T。如果这些错误在DNA复制时出现，便会造成基因突变。

图6-3　T*-G配对与A*-C配对

虽然这个假设完全合理，但很难获得直接证据。不过，到了2011年，在沃森和克里克的文章发表近60年之后，美国杜克大学医学中心的一个小组成功证明，因质子处于互变异构位置而错误配对的DNA碱基，能够嵌入DNA聚合酶的活化中心，因此很有可能被纳入新复制的DNA中，引起基因突变。(www.xing528.com)

如此看来，质子处于其他位置的互变异构体，似乎是基因突变的驱动力，也就是进化的驱动力；但让质子移动到错误位置的动力又是什么呢？“经典”的解释认为，很显然，可能是分子中无处不在且持续不停的分子振动偶尔将质子“摇”了过去。然而，这要求有足够的热能来为质子运动供能，或者说提供“摇”的能量。就像在第2章中讨论过的酶促反应，质子要完成运动，必须克服一个相当陡的能量壁垒。或者，质子也可以被邻近的水分子碰撞过去，但在DNA分子中，形成氢键的编码质子附近，并没有多少水分子来完成如此的碰撞。

其实，除此之外还有另一条路径，该路径在酶转移电子和质子的过程中同样扮演着重要的角色。亚原子粒子，如电子和质子，具有波的属性，其影响之一便是为亚原子粒子提供了量子隧穿的可能。任意一个粒子位置的模糊性使其可以渗透能量壁垒。在第2章中，我们已经见识过酶的神通。酶将分子靠得足够近使隧穿得以发生，从而利用了电子和质子的量子隧穿。在沃森和克里克开创性的论文发表10年之后，本章上文中提到过的瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁提出，量子隧穿可以提供另一种方式，使质子移动到氢键的另一侧，从而产生互变异构的核苷酸，引起基因突变。

此处，应该强调一下，引起DNA基因突变的机制有许多种，包括化学物质引起的损伤、紫外线、放射性衰变粒子，甚至还包括宇宙射线。这些改变均发生在分子级别，因此注定会涉及量子力学过程。然而，并没有证据表明，量子力学中较为怪诞的性质在这些基因突变源中也发挥作用。但如果证明量子隧穿参与了DNA碱基互变异构体的形成，那么，量子特异性就可能在驱动进化的基因突变中起到作用。

事实上，以互变异构体存在的DNA碱基在自然状态下的全部DNA碱基中只占约0.01%，由此导致的错误差不多也应该是相同的规模。但这个概率比我们在自然中发现的1/109的突变率要高出许多，因此，如果互变异构碱基确实存在于双螺旋结构中，那么由此造成的大多数错误一定得到了各种更正或“校对”，从而保证了DNA复制过程的高精度。即使这样，有些由量子隧穿引起的错误逃过更正机制，依然可以成为自然发生基因突变的来源，并由此驱动地球上所有生命的进化。

探索基因突变的潜在机制，不仅对我们理解进化很重要，而且还能为理解遗传病的发生或细胞的癌化机制提供新的洞见，因为这两个过程同样是由基因突变引起的。然而，与其他已知可以造成基因突变的因素不同，在检验量子隧穿是否参与了基因突变时，隧穿并不像化学诱变剂或辐射一样可以随意开关。因此，要想测量并对比存在隧穿时和不存在隧穿时的基因突变率并不容易。

不过，有另外一种方法可以探测量子力学对基因突变的影响。这种方法起源于经典信息与量子信息的差别。在读取经典信息时，可以反复读取信息而不会改变内容本身，而量子系统则会在接受测量时受到干扰。因此，当DNA聚合酶扫描DNA上的一个碱基并判断其中关键质子的位置时，它正在进行一次量子测量，原则上与物理学家在实验室条件下测量质子的位置并无差别。在两种情况下，测量都并非无关痛痒：按照量子力学，任何形式的测量，无论测量主体是细胞内的DNA聚合酶，还是实验室中的盖革计数器（Geiger counter），都会不可避免地改变被测粒子的状态。如果粒子的状态与遗传密码中的一个字母对应，那么测量，尤其是频繁的测量，便可能改变该密码，并由此造成基因突变。于是，我们不禁要问，这种假设有证据吗？

虽然在DNA复制过程中，我们的整个基因组都会完成复制，但大多数基因读取并非发生在DNA复制过程中，而是发生在利用遗传信息指导蛋白质合成的过程中。这个过程分为两步，第一步是转录（transcription），指将DNA上编码的信息复制到RNA上。RNA是一种与DNA类似的化学物质，会携带遗传信息进入“蛋白质合成机器”从而制造蛋白质。第二步是蛋白质的合成是，被称为翻译（translation）。为了将这两个过程与DNA复制过程中遗传信息的复制区别开来，我们将这两个过程称为“读取DNA”。

读取DNA有一个关键的特点：读取某些基因的频率比读取其他基因的频率要高得多。如果在转录过程中读取DNA编码是一次量子测量，那么被频繁读取的基因就要比其他基因受到更多由测量引起的扰动，从而导致更高的突变率。一些研究已经证实了这一点。比如，来自美国亚特兰大埃默里大学的阿比吉特·达塔（Abhijit Datta）和苏·金克斯-罗伯特森（Sue Jinks-Robertson）成功操纵了酵母菌细胞内的一个基因，使该基因要么只被读取几次，制造少量的蛋白质，要么被读取许多次，制造大量的蛋白质。他们发现，当被读取的频率更高时，基因的突变率比正常水平高出30倍。在一项针对小鼠细胞的类似研究中，也发现了同样的效应。

最近，一项关于人类基因的研究也发现，被读取频率更高的人类基因发生突变的概率也更高。上述研究的结论至少和量子力学的测量效应具有一致性，但依旧无法证明量子力学确实参与了基因突变。读取DNA的过程包含许多生化反应，可能以多种不同的方式干扰或破坏基因的分子结构，可以在没有任何量子力学参与的情况下，引起基因突变。

为了验证量子力学是否参与了这个生物过程，我们需要新的实验证据，而且该证据必须证明如果不引入量子力学就很难或无法解释该现象。事实上，正是一个像这样的谜题让笔者对量子力学可能在生物学中所起的作用萌生了兴趣。