DNA的稳定性.pptVIP

量子决定… DNA的稳定性 作为生命记忆的载体，DNA分子必须能够保持稳定。它是如何做到的呢？量子纠缠可能是解开这个迷团的钥匙。 作为每一个生物机体自身遗传信息的载体，DNA是现代生物学关注的核心分子。 而根据一些物理学家的计算，它的双螺旋结构之所以能够保持稳定，可能应该归功于一种极其神秘的量子属性：纠缠。 這意味着，某些差异显著的物体可以共存于一种状态之中，以至于无法对它们分开来进行描述。这种属性在宏观世界中是不存在的：两个纠缠的物体不管相距多么遥远，都是一个整体，乃至对其中一个物体采取的任何行动都会实时着落在另一个物体身上—它们就好比一对奇异的双胞胎，喂好了其中的一个，另一个也就饱了。 纠缠着的运动电子云 对于一切生命来说，遗传信息的稳定性都是至关重要的。这种信息必须是终生可及的，还必须能够完整地代代相传。这些信息就像是一整套严格的规范，30多亿年以来一直为大自然所恪守。早在1944年，量子力学的先驹埃尔温．薛定谔就对遗传信息的这种“近乎神奇的持续性和稳定性”惊叹不已。其时距DNA分子的发现还有几年，他就提出这种遗传的稳定性只可能是化学键的功劳。他当时万万没有想到有朝一日人们会把量子力学的一种最为奇特的属性与此联系起来。 然而，这恰恰是新加坡国立大学量子科技研究中心的伊莉萨白．里佩尔（Elisabeth Rieper）及其同事最近在构建这种遗传载体分子的简化模型时得出的结论。简略来说，遗传分子是由两条分子链构成的，而分子链则是由所谓的“基”组合而成。 两条分子链之间通过相对的两个基形成的电子键彼此连接，这样就形成了遗传分子螺旋阶梯结构中的“栏杆”。科学家把每一根栏杆都简化成一个简单的模型：在连接着两条分子链的固定正电荷上下分布着的一团运动着电子云。这样一来，每一根栏杆就可以看作是与其相的两根栏杆相互作用着的一个电偶极子，其中任意一个电偶极子的电子云的分布都会对另外两个电偶极子的电子云分布产生影响。 科学家证明，如果 DNA不采用这种螺旋形的结构（这种情况在自然界中是不存在的），相的电子云就不会发生纠缠，它们会保持各自的特性。相反，如果 DNA形成双螺旋结构，电子云就会形成一种纠缠的状态：它们会凝聚起来一齐围绕着固定正电荷摇摆，仿佛分子的心脏般跳动起来。伊莉萨白．里佩尔解释道：“我们证明了当电子云彼此接近时，并不是像我们通常认为的那样会导致 DNA分子稳定性下降，相反，这种纠缠会使电荷进行重新分配，致使其电子组态保持在理想水平。”换句话说，纠缠是决定 DNA能否稳定的一个因素。而 DNA的分子构造就像是一个精巧的坩锅，为在常温下实现这一量子魔术提供了适宜的条件。 那么，我们能否下结论说 DNA的稳定性完全归功于其基对的纠缠?说实话，还有其他一些可靠的机制可能也为DNA的稳定性作出了贡献，比如基与将细胞核浸泡其中的液态环境之间所维持的低亲合关系。但伊莉萨白．里佩尔相信：“在决定DNA稳定性的众多因素中，基对的纠缠应该算其中一个。” 量子基因编码？ 若要确认这一点，也许必须对这诸多因素各自的作用进行一番比较。不过，正如这位物理学家所承认的那样，“目前，实验手段的精确度尚不足以对这些不同的效应加以区分”。真的等到那时，也许我们将会有趣地证实：虽然遗传信息的基础是沿着 DNA分布的基形成的精确序列，但DNA分子的稳定性却是取决于这些基各自特性的丧失…说不定我们最后还会发现这种纠缠还在遗传信息的读取进程中也发挥着某种作用，从而证明基因的编码也具有量子的性质。 总之，理论物理学家们已经理解，如果采用“量子”编码系统进行信息处理，效率会比采用传统的编码系统高得多。因此，20年来，人们已经开展了大量的研究，想要开发出梦想中的量子计算器，在它那强大的运算能力和存储能力面前，现在的这些传统计算机只能自惭形秽。至于遗传信息是不是以这种机制记录在DNA分子上，这些观点都还只是推测…但这推测一旦成立，就会使我们的认识发生一场革命。 生命新视角 生命对量子特性的利用达到了什么程度?这是一个值得思考的问题。同时，它也为我们认识生命提供了一个全新的视角。 光合作用、?的活动、DNA结构、嗅觉机构、鸟的方向感…如今的生物学不得不正视量子概念在其后院全面爆发的现状。这样一种“纠缠”到底会带来什么？这是否预示着，生物科学领域在被生物化学理论一统天下半个多世纪后，正在迎来一场彻底的概念革命，并终将落入那奇异的物理学的微观世界中？或者这只是一丁点的火星，诚然能够照亮生命研究领域的某些重要的方面，但终归十分局限？又或者不过是有些物理学家太自作多情，总是急于在与自己毫无干系的学科里显摆自己的本事？ 量子生物学问世？ 有一个事实是肯定的：近几年来，全世界许多科研团队都投入到“量子生物学”的研究中。奥地利维也纳大学物理系的马库斯．阿恩特指