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新研究表明DNA突变可能来自于量子隧道这种奇怪的量子力学效应

2022-05-07 10:36:34  来源:cnBeta.COM

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DNA 著名的双螺旋形状来自于碱基分子,它们通过氢键配对。这些由字母 A、C、T 和 G 表示的碱基,通常遵循严格的规则:A 与 T 结合,C 与 G 结合。这在 DNA 中产生了点突变,这些突变大多是无害的,但有时会导致遗传性疾病。

在新的研究中,萨里大学的研究人员发现,其中一些修改可以视为奇怪的量子物理现象的结果,即量子隧道。对于生活在经典物理学世界的我们来说,这听起来像是科幻小说,但有时粒子可以自发地穿过它们不应该有足够能量克服的障碍。

以一颗球从山的这头到达另一头为例,在经典物理学中,需要一定的能量把球推上山越过山头才可以到达另一头;而在量子物理学中,可以让这颗球(视为粒子)突然具备“穿山术”,出现在山的另一头。这听起来同样令人难以置信,但量子隧道是一种有据可查的现象,在一系列情况下都会发生,例如核聚变。

在 DNA 突变的情况下,研究小组说,做隧道运动的粒子是氢原子内的质子,它们可以从键的一边跳到另一边。如果它们恰好在作为细胞复制过程一部分的两条 DNA 链被劈开之前这样做,质子就会被困在错误的一边,导致 DNA 错配和潜在的突变。

这种情况可能发生在DNA突变中的想法是几十年前首次提出的,但此后这一机制在很大程度上被忽视了。这是因为长期以来,生物环境被推测为过于温暖和复杂,不可能发生量子隧道。

但在新的研究中,研究人员发现,它不仅在这种环境中发生,而且温暖的环境实际上激活了质子来进行跳跃。研究小组使用一种被称为开放量子系统的过程来模拟这一过程的动态,并表明这些质子来回跳跃的频率比以前认为的要高。这表明,来自量子隧道的质子转移在基因突变中发挥的作用比它通常被认为的更重要。

该研究的共同通讯作者 Marco Sacchi 博士说:“生物学家通常期望隧道作用只在低温和相对简单的系统中发挥重要作用。因此,他们倾向于不考虑DNA中的量子效应。通过我们的研究,我们相信我们已经证明这些假设不成立”。

关键词: 科学探索 新研究表明DNA突变可能来自于量子隧道这种奇怪

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