量子生物学

相关研究

量子生物化学和光合过程的量子,经研究已得到了可核查的重要结果。尤其是光合作用中，对于俘获光子后所发生的分步、对质子的量子式释放，利用量子生物学的理论，已获得显著的研究进展（相关理论涉及到较为复杂的光系统）。此外，实验和理论的发现都支持 酶促反应中包含量子穿隧机制。将能量转化为化学能（可用于化学转化）的生物学过程在实质上都是 量子力学过程。这些过程包含化学反应、光俘获、电子激发态的形成、激发能的转移和化学过程（如光合作用及细胞呼吸）中电子及质子（氢离子）的转移。量子生物学以 量子力学效应为根据，借助数学计算，对生物学相互作用进行模拟。量子物理学家埃尔温·薛定谔早在1946年就提出了用 量子理论研究遗传系统的需求，理论生物学家罗伯特·罗森在1961年接着给出了一份详细、正式的研究量子遗传学的办法。在这方面的一个仍未解决的存在争议的问题是：量子效应在生物系统中的非平凡性和通用角色（即不受限于分子性质）究竟是什么？然而，新近关于转录的研究与转录酶对于相干态双链DNA的量子信息处理是一致的。

发展历程

1930年物理学家P.约尔丹进一步提出了“突变是一种量子过程”，这一观点在1944年E.薛定谔的《 生命是什么》一书中得到了详尽的阐述。他还提出了遗传物质是一种 有机分子，遗传性状以“密码”形式通过染色体而传递等设想。这些设想由于J.D.沃森与F.H.C.克里克提出脱氧核糖核酸双螺旋结构模型而得到极大的发展，从而奠定了分子生物学的基础。分子的相互作用必然涉及其外围电子的行为，而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然趋势，是量子力学与分子生物学发展到一定阶段之后相互结合的产物。

研究方法

基本上就是用量子力学的方法来处理一个微观体系的全部计算过程，并利用由此得出的各种参量,说明所研究对象的结构、 能量状态及变化,进而解释其生物学活性及生命过程。量子力学把分子中的原子核看成是一个骨架，外围电子则在这一骨架附近运动。电子不仅具有 粒子性，同时还具有 波动性。因此对电子的运动可以用一个 波函数来描述。这个 波函数应满足量子力学中的基本方程，即 薛定谔方程：

H□ (1)式中H称为 哈密顿算符，□是整个体系的 能量。在量子生物学中所处理的系统一般都比较复杂，但重要的生物分子常具有由 π电子所组成的 双键，这种π电子的活动性较大,实际上并不定位在特定的一个 原子核附近,这类系统称为 共轭系统。核酸中的嘌呤与 嘧啶碱基、蛋白质中的芳香氨基酸、高能磷酸物、喋呤、 卟啉、醌、 类胡萝卜素、各种辅酶、胆固醇以及许多药物无不具有共轭系统。各种生命现象都和共轭系统的存在及其π电子的非定域化密切相关。因此量子生物学首先考虑了这类电子的运动。目前最广泛应用的计算方法称为 分子轨道法（简称MO）。即认为每个电子的运动可扩及到整个分子范围内。虽然每个电子的轨道是一种分子轨道，但它毕竟和 原子轨道有关。认为分子轨道由 原子轨道 线性组合而成的方法就称为原子轨道的线性 组合法。简写为LCAO-MO法：

□ (2)式中的□1，…,□□表示各 原子轨道的 波函数,□□,…，□□为相应的系数。

因此，对一个具有生物学意义的体系的量子力学计算过程，包括下列步骤：根据欲研究分子的结构，选定合适的波函数,代入 波动方程(1)，并求其解。然后将所得结果和欲研究的生物学活性相联系。由于精确求解常有困难，因此在计算中经常应用各种近似方法。这种近似性是否适用，还要和实验结果相印证。从计算结果可以得到两类不同性质的指数： 能量指数与结构指数。 能量指数说明体系的能量状态，例如总能量、跃迁能（不同状态之间的能量差）。最高填满分子轨道（即 电离势，简写作HOMO）与最低空分子轨道（即电子亲合势，简写为LEMO）等。结构指数说明分子的结构特征，例如 键级（双键性的大小）、 自由价（通过某一 原子参与化学反应的能力）、 电子电荷等。

研究内容

相关量子过程被研究的生物学现象主要包括对辐射的频率特异性吸收（出现在光合作用和视觉系统等内）、化学能到机械能的转化、动物的磁感受及许多细胞过程中的布朗马达。该领域还在积极地研究磁场及鸟类导航的量子分析并可能为许多生物体的 昼夜节律（生理节律）的研究提供线索。

例如，1938年R.F.施密特就已开始对致癌 芳香烃类化合物进行研究，试图说明致癌活性与分子的电子结构之间的关系。以后经过普尔曼等人的工作，现已成为量子生物学的一个重要组成部分。

只要生物分子本身的 化学结构或各级结构已经清楚，就有可能研究和这种分子相联系的生物学活性的本质，或者它们之间的相互作用。因此量子生物学所研究的问题实际上涉及分子生物学的全部内容。例如重要生物大分子的物理性质、各级结构与功能；酶的结构与催化机制；酶与底物、酶与辅酶、抗原与抗体之间的特异作用；高能磷酸物的电子构造与 能量关系；致癌物质的作用机制；药物作用机制；活体中电子、 质子与能量迁移及转化关系等等。为了方便起见，可以把量子生物学的内容归纳为以下四个方面：

分子间相互作用力

分子间的相互作用力主要考虑的是静电力：包括引力与斥力。至于 电磁力在生物分子中一般认为可以忽略。静电力又分为 强力与 弱力两种，所谓强弱是相对而言的，一般都以平均 热能kT值作为标准。□为玻耳兹曼常数，□为绝对温度。由作用力所产生的相互作用能大于□□者为 强力，反之为 弱力。 强力不仅在维持分子的基本骨架（ 一级结构）中起重要作用（包括离子键、共价键等），而且还与 识别作用有关。 弱力包括氢键、范德瓦耳斯力和偶极作用，它决定了分子的高级结构（二级、三级、 四级结构），因而在维持 大分子 构象和功能活动中起十分重要的作用。

电子结构反应活性

这是60年代前后量子生物学的主要研究领域。以 核酸为例，核酸中的5种碱基都是共轭系统，由于结构不同,对辐射的抗性也不同。一般来说， 嘌呤的抗性大于嘧啶；同为嘌呤，腺嘌呤又大于鸟嘌呤。按抗性大小可排列成下列次序：

A>G>C>U>T量子生物学计算表明,这5种碱基的每个 π电子的 共振能的大小（能量指标之一，说明体系的稳定程度）正好符合上述次序。又如3环以上、7环以下的许多芳香烃，其中有不少有致癌活性；能致癌的烃中，其活性又有强弱不同。为了从理论上说明这一问题,普尔曼等提出了K区理论。图中画出了一个芳香烃1,2-苯并蒽的K区和一个L区。K区是进行键反应的部位，L区是进行对位加成反应的部位（见图芳香烃1,2-苯并蒽的K区和L区）。他们认为, 致癌烃应具有 化学反应能力强的K区,而L区则应较弱。他们计算了几十种芳香烃，并分别用复合指标（包括键本身以及键所涉及 碳原子的电子指数和 能量指数）说明有无致癌活性及其强弱的判据。结果虽然还不十分满意，但基本上为致癌活性与电子结构关系提出了理论依据。但应指出，对孤立 分子结构的研究只是一个方面，只有深入研究分子与其作用对象 相互作用时的结构改变，才能得到更为满意的结果。

生物大分子构象与功能

蛋白质与 核酸的空间结构及其在功能过程中的意义是这方面的主要研究课题。由于生物大分子涉及大量原子，在研究中遇到许多困难，所以这方面工作开展较晚。但对蛋白质和 核酸都已了解到半导体性这一独特性质的存在。这是由于 弱力将不同的单元(例如蛋白质的多肽链)连结在一起而形成的。在这种情况下，π电子可以跨越不同的单元而非定域化。原来的能级即组合成为有一定宽度的能带。许多人用不同的方法计算过能带间隙与宽度，目前由于计算方法比较粗糙，和实际结果符合得不很理想。但对这一性质的说明及其在 能量传递中的重要性提出了一定的根据。近年来，大分子处于溶液状态下的 溶剂化效应很受重视，特别是认识到水不仅作为生命物质的“ 介质”而存在，而且和大分子通过相互作用结合在一起，形成一个整体。量子力学计算能给出有关水合位置的确切信息(见 生物水)。对于某些药物，例如，组胺在两种不同构象中产生不同的生理作用(分别刺激回肠与胃的分泌)，也能从构象 能量图加以说明。

特异作用与识别机制

生物学领域的一个重要特征是相互作用的 特异性。药物能和 细胞表面的特异受体相互作用。一个抗体分子可以从105个分子中识别出能与之结合而起反应的抗原分子。对于这种特异作用的机制过去只从分子大小、形状和能否密切配合的所谓“锁与钥”的关系去理解。显然,这种单纯“ 形态学”的观点还必需进一步从“功能”的角度加以深化，也就是研究特异作用力及其引起的构象变化。这方面工作目前不多，有待发展。但对许多生命现象的阐明（酶作用、免疫作用、药物作用等）显然具有关键性的作用。

应用领域

量子生物学还是一门十分年轻的学科，国际量子生物学会（简称ISQB）于1970年成立。它的发展不仅需要电子计算机的协助和计算方法的改进，还需要与实验结果密切配合。到目前为止，量子生物学还只限于对较小分子的研究，特别是药物的作用。对于复杂生物学问题的探讨，还有待深入。

量子生物学应用领域

一：生物武器。二：化学武器。三：细菌武器。四：生态医学。五：基因变异。六：基因进化。七：生物病毒进化。八：物种改造。九：人种改造。十：物种进化。十一：超自然进化。十二：超生态生物。

量子生物学之生态医学研究

生态医学是以原子生物学、生物化学、生物结构力学、生物磁场力学、生态学、电磁物理学、生物进化学、中医药理学、分子生物学、基因变异等等为基础的综合研究科学。

生态医学实验室的建立，将解决现在所有的医学难题，治疗所有的疑难杂症，比如：艾滋病。

生态医学实验室的建立，将节省大量的医学耗材，低成本治疗所有的疑难杂症，具有很广阔的发展前景。

生态医学实验室的成功建立，对航天医学等领域起到核心作用，当然在提高综合国力方面也发挥着举足轻重的作用。

量子生物学之生物病毒进化

生物病毒进化是一种超级进化。它并不是经历漫长的时间进化而成，一般情况下，生物病毒进化只需要几秒钟到几十个小时的时间，因此称为一种超级进化。

量子生物学之超级恐怖主义

恐怖主义的性质改变了：与以往几个世纪以来人们普遍关注的炮弹袭击和人质扣押相比，如今使用先进的技术手段来袭击整个国家、攻击大量的人群和整个国家的基础设施都将变为主流恐怖主义活动。

由于生物武器、化学武器和生化武器容易制造、成本较低、易于携带等等优点，恐怖主义使用生物武器、化学武器或生化武器将轻而易举。

恐怖主义组建三部曲：《恐怖主义组建于生存》、《恐怖主义组建于战争》、《恐怖主义组建于谋略》。

生化（细菌）武器研究成果：仿生液，共生液，仿生环境，共生环境，反生态生物，超生态生物，超级病毒等等。

量子生物学研究成果：自杀式灭亡体，根源性灭亡体，根源性创造体，生物形态力场，生物形态磁场，根源性复合体等等。