基因突变与量子跃迁的关系探究

基因突变是量子跃迁吗

1988年9月，《自然》杂志发表了一篇细菌遗传学论文，作者是声名显赫的遗传学大师约翰·凯恩斯（John Cairns）。当时，他供职于位于波士顿的哈佛大学公共卫生学院。论文的结论似乎与新达尔文进化论的根本原理相悖。新达尔文进化论认为，随机出现的基因突变是可遗传变异的来源，而进化的方向由自然选择确定，所谓“适者生存”。

凯恩斯是英国人，毕业于牛津大学，作为医生和科学家，曾在澳大利亚和乌干达工作过，之后于1961年轮休期间来到位于纽约州的世界闻名的冷泉港实验室。他从1963年到1968年担任实验室的主任，使冷泉港实验室成为分子生物学这一新兴学科的温床。特别是在20世纪60年代和70年代，在这里工作的科学家中包括萨尔瓦多·卢里亚、马克斯·德尔布吕克和詹姆斯·沃森等人物。其实，凯恩斯在多年前已经见过沃森，那时的沃森不修边幅，还未成为诺贝尔奖获得者。沃森在牛津大学的一次会议上做了一次不知所云的展示，也没有引起广泛的重视。事实上，对这位在科学史上永垂不朽的人物，当时凯恩斯的总体印象是：“我觉得他完全是个疯子。”

在冷泉港，凯恩斯开展了几项里程碑式的研究。比如，他展示了DNA如何从一个点开始复制，然后沿着染色体继续下去，就像火车沿着轨道行进一样。凯恩斯后来一定喜欢上了沃森，因为他俩于1966年共同编写了一本书，介绍噬菌体在分子生物学研究中所起的作用。后来，到了20世纪90年代，凯恩斯对之前为卢里亚和德尔布吕克赢得诺贝尔奖的研究萌生了兴趣，他们的研究似乎证明了基因突变随机出现，且发生在生物暴露于任何环境中之前。凯恩斯认为，虽然卢里亚和德尔布吕克通过实验似乎证明了，对病毒有抗性的细菌变种一直存在于细菌群体中，而非在暴露于病毒后才出现，但他们的实验设计有一处软肋。凯恩斯指出，任何对病毒还没有抗性的细菌不可能有足够的时间发生新的突变来应对病毒的挑战，因为，它们早就被病毒杀死了。

约翰·凯恩斯设计了一个新的实验，给细菌更多的机会来进行变异以应对刺激。他并没有寻找能够赋予细菌对致死病毒形成抗性的突变，而是让细菌细胞忍饥挨饿，然后寻找能让细菌活下来并继续生长的突变。像卢里亚和德尔布吕克一样，他观察到一些变种可以直接存活下来，说明这些变种之前就存在于群体中；但是，与之前的研究不同，他观察到有更多的变种在更晚的时候也活了下来，显然是在回应饥饿的刺激。

凯恩斯的结果与公认的原理相悖。人们普遍认为，基因突变随机出现，而凯恩斯的实验似乎表明，基因突变倾向于在其占优时出现。这个发现似乎支持了被质疑很久的拉马克进化理论——只不过，极度饥饿的细菌并不是像拉马克假想中的羚羊一样伸长了自己的脖子，而是根据环境的挑战产生了可遗传的修饰：基因突变。

其他几位科学家很快证实了凯恩斯的实验发现。但是，该现象在当代遗传学和分子生物学中找不到合理的解释。没有任何已知的机制可以让细菌或是任何生物，自主选择哪个基因在何时突变。该发现似乎与有时被称作分子生物学中心法则的原理也有冲突（该法则认为，信息只能通过转录，单向地从DNA向蛋白质进而向细胞或生物所处的环境传递）。如果凯恩斯的结论是正确的，那么细胞一定也具有使遗传信息逆向流动的能力，使环境可以影响DNA编码。

凯恩斯的论文一经发表便引起了风暴般的争议，信件像雪片一般飞向《自然》杂志社。人们试图搞清楚这项新的发现。作为一名细菌遗传学家，麦克法登（本书作者之一）对逐渐为人所知的“适应性突变”（adaptive mutation）现象产生了深深的质疑。彼时，他正在阅读量子力学的科普读物——约翰·格里宾（John Gribbin）的畅销书《寻找薛定谔的猫》（In Search of Schrödinger’s Cat）。麦克法强忍不住去想，量子力学，特别是量子测量的神秘过程，是不是可以为凯恩斯的实验结果提供解释呢？麦克法登对勒夫丁关于遗传密码由量子字母写成的论断也很熟悉。他想，如果勒夫丁是对的，则必须将凯恩斯实验中细菌的基因组视为量子系统。如果真是这样，那么研究是否出现基因突变就绕不开量子测量。如此说来，有干扰作用的量子测量可以为凯恩斯古怪的实验结果给出一个合理的解释吗？为了进一步探索这种可能，我们需要先仔细看看凯恩斯的实验设计。

凯恩斯在培养皿的凝胶表面植入了数以百万计的肠道细菌——大肠杆菌，且培养基上只有乳糖作为养分。同时，凯恩斯使用的大肠杆菌品系特殊，基因中有一个错误，使该菌种不能消化乳糖，只能在培育皿中挨饿。但这些细菌并没有就这样饿死，而是在凝胶表面苟延残喘。不过，细菌的这种状态没有维持多长时间，几天后，凯恩斯观察到，凝胶表面出现了菌落。这让凯恩斯感到惊奇，也因此引发了诸多争议。这些菌落中都是变异了的细菌，由每个菌落中最初发生突变的那一个大肠杆菌细胞繁衍而来。最初发生突变的大肠杆菌细胞更正了DNA编码的错误，修复了受损的乳糖消化基因。后来，变异菌落又持续繁殖了几天，直到培养基最终消耗殆尽。

正如卢里亚-德尔布吕克的实验展示的那样，按照标准进化理论，大肠杆菌细胞的进化要求细菌群体中早已存在变种。在实验早期，菌群中也确实检测到少数几个乳糖消化功能正常的细菌，但是这些细菌的数量太少了，完全无法解释在将细菌置于有乳糖的环境中后，不出几天便很快出现的大量可以消化乳糖的菌落（在乳糖环境中，基因突变可以为细胞提供适应性优势，这也是“适应性突变”一词的来源）。

对于实验中的现象，凯恩斯排除了几种不太重要的解释，比如基因突变率普遍升高。他还证明，适应性突变只是突变可以在环境中提供生存优势时出现。但是，他的实验结果用经典的分子生物学无法解释：按照经典理论，无论是否存在乳糖，基因突变发生的概率应该一样的。然而，如果真像勒夫丁所说，基因本质上是量子信息系统，那么乳糖的存在就可能构成一次量子测量，因为乳糖可以揭示细胞的DNA是否已发生突变：这是一个取决于编码质子位置的量子事件。那么，量子测量可以解释凯恩斯观察到的不同基因突变率吗？

麦克法登决定将他的想法拿到萨里大学物理系做仔细的检验。艾尔-哈利利（本书的另一位作者）当时是物理系的听众之一，他虽然怀疑，但也很感兴趣。于是，两人决定一起合作，研究适应性突变是否与量子力学有关，并最终提出了可以解释适应性突变的“手波”（hand-wavy）[59]模型。我们的这项研究成果于1999年发表在《生物系统》（Biosystems）上。

该模型假设质子的行为具有量子力学的性质，因此，饥饿的大肠杆菌细胞DNA中的质子偶尔会隧穿到互变异构的位置（诱发突变），也能轻松地隧穿回它们原来的位置。所谓量子力学的性质，就是必须将系统视为多种状态的叠加态——隧穿或没有隧穿的叠加。质子的位置由波函数来描述，以不同的概率同时分布在两个点。但该分布是不对称的，质子出现在非突变位置的概率要大得多。在微观世界中并没有用于测量的实验设备或装置来记录质子的位置，但正如我们在第3章中的讨论，测量过程由周边的环境来实现。这个过程无时无刻不在发生着。比如，蛋白质合成机制在读取DNA时，迫使质子“决定”自己处在氢键的哪一边——正常的位置（无生长）或互变异构的位置（生长）。只不过在大多数情况下，质子会处于正常的位置。

让我们把凯恩斯培养皿中的大肠杆菌细胞想成一盒硬币，每个硬币代表乳糖消化基因中关键核苷酸碱基里的质子。[60]质子的存在状态有两种可能：“字”，对应常见的非互变异构位置；或“花”，对应罕见的互变异构位置。开始时，所有的硬币“字”面朝上，对应实验开始时所有的质子处于非互变异构位置。但是，按照量子力学，质子永远处在正常位置和互变异构位置的叠加态，因此，与之类似，我们假想出来的量子硬币也就同时处在“字”面或“花”面朝上的叠加态——虽然绝大部分概率波倾向于“字”面朝上，也就是正常状态。不过，细胞内环境最终还是会测量质子的位置，迫使质子做出“选择”，我们可以将之想象成一次投掷分子硬币的游戏，且掷出“字”面向上的概率要大得多。DNA会不时地完成复制[61]，但复制的新链只能是编码已经存在的遗传信息，也就是说，基本上只能编码出有缺陷的酶[62]，所以细胞还得继续忍饥挨饿。

注意，硬币代表的是一个量子粒子，是DNA链中的一个质子；因此，即使经过测量，它依然可以自由地回到量子世界中，重新建立最初的量子叠加态。所以，在我们抛出的硬币“字”面向上落地以后，掷硬币的游戏还会一次又一次地重复。最终，总会出现“花”面向上的情况。在这种情况下，DNA也会完成复制，不过此时会制造出活跃的酶。在没有乳糖时，这个变化依然没什么两样，因为没有乳糖时，这个基因本身是无用的。细胞还得继续忍饥挨饿。(www.xing528.com)

然而，如果环境中存在乳糖，情况就大不相同了。因为更正了的基因使细胞可以消耗乳糖，完成生长和复制。质子要想回到量子叠加态已经不再可能。整个系统将不可逆地塌缩进入经典世界，成为一个变异细胞。我们可以这样想这件事：在乳糖存在的情况下，我们把盒子里“花”面向上的硬币挑了出来，放到了另一个盒子里，并标上“突变体”的记号。在原先的盒子里，剩下的硬币（即大肠杆菌细胞）会继续参与掷硬币的游戏，任何时候，只要掷出的硬币出现“花”面向上，就会被挑拣出来，放入“突变体”的盒子中。长此以往，“突变体”盒子中会积累越来越多的硬币。若回到实验中，即能够在乳糖环境中生长的大肠杆菌会持续存在，这种情况与凯恩斯的发现完全一致。

我们的模型于1999年发表，但并没有引起多大的反响。麦克法登并不气馁，一鼓作气创作了《量子进化》（Quantum Evolution）一书，介绍了量子力学在生物学和进化中更为广泛的作用。不过，请注意，此时酶促反应中的质子隧穿还没有得到广泛认可，在光合作用中还没有发现量子相干性，因此，科学家们对“奇异的量子现象参与了基因突变”这一想法持怀疑态度也是合情合理的。而且，事实上，我们也确实回避了几个问题。同时，适应性突变的现象变得“混乱”。在凯恩斯实验中，饥饿的大肠杆菌利用已死亡或正在死亡的细胞的微量养分竭力维持生命，偶尔还会进行基因复制，甚至互相交换DNA。传统思路开始对适应性突变进行解释，认为升高的突变率是由几个过程共同引起的：所有基因的突变率普遍升高；细胞死亡并释放出死亡细胞中变异的DNA；活下来的细胞最终通过选择性吸收和放大，成功地将变异的乳糖消化基因整合到自身的基因组中。

这些“传统”解释是否能够完全解释适应性突变依然不得而知。自凯恩斯发表最初的那篇论文已有25年，关于适应性突变机理的论文不断出现，研究对象不再仅限于大肠杆菌，还包括其他微生物，但这些论文提供的证据显示，这个现象依然迷雾重重。就目前的情况而言，我们不能排除量子隧穿参与适应性突变的可能性，但同时，我们也不能断言，适应性突变只有这唯一的解释。

由于引入量子力学来解释适应性突变的需求暂时并不强烈，所以我们最近决定先退一步，研究一个更加根本的问题——量子隧穿是否参与了基因突变本身？你或许还记得，基因突变中有量子隧穿的参与，最先由勒夫丁在理论上论证提出，随后得到其他几项理论及实验室研究的支持。这种实验被称为“模型碱基配对”（model base pairs），指人工设计出化学物质，使其像DNA中的碱基那样，可以进行碱基配对，但同时更便于处理、宜于实验。然而，还没有人能证明是质子隧穿造成了基因突变。问题的根源在于，除了量子隧穿，其他几种原因也会造成基因突变，更不用说还有突变修复机制的存在了。因此，即使突变中存在量子隧穿，要想解密其所起的作用也是难上加难。

为了研究这个问题，麦克法登借鉴了第2章中研究酶的实验思路。在第2章中，由于发现了“动态同位素效应”，我们推断出酶促反应中有质子隧穿参与。如果量子隧穿确实参与了酶促反应的加速，那么用氘核（由一个质子和一个中子组成）取代氢核（单个质子）就会使反应变慢，因为量子隧穿对隧穿粒子的质量高度敏感，而氘核是氢核质量的两倍。目前，麦克法登正在使用相似的方法研究基因突变，探索与在水（H2O）中相比，重水（D2O）环境中的基因突变率是否不同。就在笔者写作本书的时候，研究似乎表明，重水中的突变率确实发生了改变。但为了确定变化确实是由量子隧穿引起的，还需要进一步的工作。因为即使不引入量子力学的解释，用氘原子取代氢原子也会影响许多其他的生物分子过程。

艾尔-哈利利（本书作者之一）一直致力于论证DNA双螺旋结构中质子的量子隧穿是否在理论上可行。当一位理论物理学家求解如此复杂的问题时，他会试着为所研究的系统或过程构建一个简化模型，使之在数学上易于处理，同时保留该系统或过程中被认为最重要的特征。之后，物理学家可以为这样的模型不断增加细节，使之复杂化，从而更接近真实的情况。

就这个问题而言，为了便于数学分析，起始的模型可以简化为一个球（代表质子）和分居小球两侧的两根弹簧，弹簧一端固定在墙上，另一端与小球相连，向相反的方向牵拉小球（见图6-4）。当两侧弹簧的拉力相同时，小球会停在固定的位置，如果一边的弹簧比另一边更硬（弹性更小），小球的位置就会更靠近连接较硬弹簧的墙。然而，较硬的弹簧也必须“给力”才行，否则，小球也有可能会停在离对侧墙更近的位置，即使那个位置不够稳定。这与量子力学中的“双势阱”（double potential energy well）对应，形象地勾勒出了编码质子在DNA链中的情况。图6-4中左边的势阱与质子的常见位置对应，右边的势阱与罕见的互变异构位置对应。按照经典物理的思路，虽然质子在大多数情况下位于左边的势阱，但如果受到能量足够的外力作用，就可能偶尔振到另一侧，即互变异构的一侧。只不过，质子总会出现于两个势阱中的一个，非此即彼。与之相反，在量子力学的框架下，即使没有足够的能量翻过能量壁垒，质子也可以自发地隧穿，并不需要外力作用。不仅如此，质子还可能因此处于两个位置的叠加态，同时处于左边和右边的势阱中。

可以将连接两个DNA碱基位点的氢键中的质子视为与两根弹簧相连，使其能够在两个碱基之间振动。该质子的稳定位置有两种可能，即模型中的两个势阱。左边的势阱（与非变异位置对应）比右边的势阱（互变异构位置）更深一点，因此，质子更倾向于停在左边的势阱中。

图6-4　氢键中质子的简化模型

当然，画一幅图比建立数学模型要容易得多，因为完善的数学模型要求能精确地描述现象。为了理解质子的行为，我们也需要非常精确地画出势阱或能量表面（energy surface）的形状。这可不是什么简单的小事，因为势阱的精确形状由许多变量决定。一方面，氢键是DNA分子的一部分，而DNA分子结构庞大复杂，由数以百计甚至数以千计的原子构成；另一方面，整个氢键浸泡在细胞内部温热的水分子和其他化学物质中。不仅如此，分子振动、热扰动、酶促反应甚至紫外线和电离辐射都能直接或间接地影响DNA中化学键的行为。

为了解决如此复杂的难题，艾尔-哈利利的博士生亚当·戈德比尔（Adam Godbeer）使用了一种强大的数学工具。这种方法叫作密度泛函理论（density functional theory，简称DFT），它目前在物理学家和化学家中很流行，常用来为复杂结构建模。只要计算机的计算能力允许，这个工具就能尽可能多地将DNA碱基配对的结构信息纳入到考虑范围之内，让氢键势阱的形状计算变得非常精确。我们可以把密度泛函理论的作用看作是一幅地图，各种由于周围的DNA原子推拉摇晃而作用于氢键的力，在图中一览无余。利用势阱形状的信息，可以进一步计算质子隧穿随时间的变化。该计算有额外的复杂性，因为氢键周围的DNA原子和水分子持续影响着质子的行为，并影响了质子由DNA的一条链隧穿到另一条链的能力。但是，外部环境的持续影响同样可以被纳入量子力学方程中。

2014年夏天，也就是笔者写作本书的时候，戈德比尔的初步结果显示，虽然A-T碱基对中的两个质子有可能隧穿到互变异构的位置，但概率很小。不过，理论模型也确实表明，细胞内周边环境的行为在积极地协助而非阻碍隧穿过程。

那么此刻，在量子力学与遗传学之间，我们可以总结出什么关联呢？我们已经看到，量子力学对遗传具有基础性作用，因为量子粒子写成了我们的遗传密码。正如埃尔温·薛定谔的预测，量子基因编码了每一个曾经活过的微生物、植物和动物的经典结构和功能。这绝非偶然，也非无关紧要。因为如果基因是经典物理的结构，无论如何也不可能实现如此高精度的复制：基因太小了，不可能不受到量子规则的影响。正是基因的量子性质，让南极东湖中的微生物数千年来精确地复制着自身的基因组，也让我们的祖先得以在几百万年甚至从地球上有生命诞生以来的几十亿年中复制自己的基因。如果不是几十亿年前“发现”了在量子王国中编码信息的诀窍[63]，生命不可能活下来，也不可能在地球上进化。另一方面，基因突变，即遗传信息复制过程中的错误，对进化极其重要，而量子力学是否在基因突变中扮演了重要而直接的角色，还有待进一步考察。