在分子層面,基因需要準確地複製,這個過程出錯就容易產生基因突變。一組科學家利用先進的技術,第一次發現量子力學機制在基因複製過程中所起的作用,如何導致基因突變。
科學家發現DNA的兩條鏈狀結構通過一些質子(氫原子核)連在一起。這些質子起到膠水的作用,把各種鹼基綁定在一起。這種稱為氫鍵的綁定方式,就像梯子中間的橫樑一樣,把DNA雙鏈聯繫在一起。
一般情況下,DNA的四個鹼基A、C、T和G有固定的綁定組合,比如A總是與T綁定;C總是與G綁定。這是由分子的形狀決定的,把它們像拼圖一樣完美地拼合在一起。但是如果氫鍵出現一些變化,就會導致配對出錯,繼而引發基因突變。
早在1952年,發現DNA雙超連結構的科學家James Watson和Francis Crick曾預測DNA突變可能與量子力學的某種現象相關,但是直到這份研究,才第一次通過先進的模型準確地量化這個過程,看到了其中的緣由。
這個由英國薩里大學(University of Surrey)引領的研究組,從量子生物學角度看到了其中的聯繫。量子生物學是一個相對較新的研究領域。
這份研究發現,這些氫鍵質子可能總是以量子隧穿的方式不斷地在DNA的雙鏈之間來回穿梭。量子隧穿是量子世界內粒子會發生的一種穿越現象,猶如粒子憑空穿過一堵牆抵達牆體的另一面。
以前,科學家認為活體生物細胞內的環境溫暖、潮濕、太複雜,不會發生量子隧穿現象。1944年,奧地利物理學家Erwin Schrödinger提出,活體生物內的機制與無生命物質內的環境不一樣,量子隧穿現象也可能在其中扮演一定的角色。這份研究終於證實了這個理論。
這份研究稱,細胞的局部環境導致質子被熱激活,從而可以穿越能量屏障,也就是會出現量子隧穿現象。更確切地說,研究者發現質子持續地在DNA雙鏈之間來回隧穿。可是,在某個階段當DNA被切割成獨立雙鏈的時候,一些質子被留在了錯誤的一邊,導致出錯。
這份研究5月5日發表於《自然》(Nature)旗下的《通訊-物理》(Communications Physics)期刊。#
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