量子生命|生物資訊是如何編碼的, 又是如何遺傳的?◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆

我們總是把生物精确複制自身基因組的能力視為理所當然的，但這項能力卻是生命最非凡、最根本的特質。

dna複制的錯誤率，也就是我們所說的變異，通常小于1/109。為了讓我們對這個高到令人震驚的精确度有些概念，我們可以想象一下本書中所包含的約幾十萬字、标點符号和空格，現在，假設圖書館中有約1000本篇幅相近的書，你的任務是如實地抄寫這些書中的每一個字、标點和空格。你覺得你會犯多少錯誤?這正是在印刷機發明之前，中世紀的抄寫員們所做的工作。他們必須盡最大努力用手抄寫文本。

他們抄寫的文本滿是錯誤，這其實并不奇怪，我們從中世紀那些充滿分歧的不同手抄本中可見一斑。當然，計算機能以非常高的準确度複制資訊，但計算機完成任務靠的是基于固體硬體的現代電子數位技術。假設用“濕軟黏糊的材料”制成一台影印機，你覺得如果用這台機器來讀取和書寫要複制的内容會犯多少錯誤呢？不過，如果“濕軟黏糊的材料”是你體内的一個細胞，要複制的資訊以dna的形式編碼，那麼錯誤的數量就會少于一個字，也就是 1/109。

高精度的複制對生命至關重要，因為活體組織高度的複雜性要求指令的設定必須同樣複雜，每一個錯誤都有可能是緻命的。我們細胞内的基因組由約30 億個“基因字母”組成，編碼了約 1.5萬個基因。但是，就連最簡單的、進行自我複制的微生物，其基因組也有數千個基因，由幾百萬“遺傳字母”寫成。雖然大多數生物每一代都能容錯極少數的變異，但允許下 一代中擁有超過一掌之數的變異将引起嚴重的問題,比如形成人類的遺傳病，甚至誕下是無法存活的子代。此外，無論什麼時候，隻要我們體内的細胞進行複制,包括血細胞、皮膚細胞和其他細胞等，都必須同時複制細胞内的 dna 并注入到子細胞中。這個過程如果出了差錯，會引發癌症。

為什麼量子力學對遺傳極為重要

為了了解為什麼量子力學對遺傳極為重要,我們必須先回到 1953 年的劍橋大學。1953年2月28日，弗朗西斯·克裡克沖進劍橋的鷹酒吧，興奮地宣布他和詹姆斯·沃森發現了“生命的秘密”。當年晚些時候，他們聯合發表了具有曆史意義的論文，在文中展示了一個結構并給出了一套簡單的規則，為兩個最根本的生命之謎提供了答案——生物資訊是如何編碼的, 又是如何遺傳的?

許多文獻在描述遺傳密碼的發現時，習慣強調一個可以說是次重要的特點：dna具有雙螺旋結構。這個發現确實引人注目，dna優美的結構實至名歸，并由此變為科學界最具标志性的形象，出現在t 恤衫、網頁, 甚至建築設計中。但雙螺旋結構本質上隻是一個“腳手架”，dna 真正的秘密在于腳手架上安裝的物質。

我們曾簡要介紹過，dna的雙螺旋結構由糖–磷酸骨架支撐，上面攜帶着 dna真正的資訊：核酸堿基鍊，包括鳥嘌呤(g)、胞嘧啶(c)、胸腺嘧啶(t)和腺嘌呤(a)。沃森和克裡克發現，堿基的線性序列組成了某種密碼，而他們認為，這正是遺傳密碼。

在他們具有重要曆史意義的論文最後，沃森和克裡克表示，dna的結構也為第二大生命之謎提供了解答方案，他們寫道：“這并沒有逃出我們的關注範圍:我們提出的配對假說，同時為遺傳物質的複制提供了一種可能的機制。”沒有逃出他們關注範圍的，是雙螺旋結構的一個重要性質：螺旋雙鍊其中一條鍊上的資訊,或者說堿基序列，可以視為與另一條鍊上堿基序列對應互補的拷貝——一條鍊上的 a 總和另一條鍊上的 t 配對，同理， g 總是和 c 配對。對應鍊上堿基的特殊配對(a-t對或 g-c對)實際上是由一種弱化學鍵促成的，被稱為氫鍵。像“膠水”一樣将兩個堿基分子結合在一起的氫鍵，本質上是兩個分子間共用的氫原子。氫鍵對我們的故事 很重要,稍後,我們會更詳細地讨論它的性質。

配對 dna 雙鍊間的弱結合順理成章地為基因複制提供了一種機理：雙鍊解旋分開成為兩條單鍊，每一條單鍊可以作為模闆，分别在自身的基礎上形成互補的新鍊，使最初的一條雙鍊變為兩條,完成複制。這正是細胞分裂時基因複制的過程。雙螺旋結構的兩條鍊及其攜帶的互補資訊解旋分開後，一種被稱為 dna聚合酶的酶類得以靠近分開的單鍊。随後,dna 聚合酶與一條單鍊結合，并順着該鍊的核苷酸鍊滑動,讀取每個遺傳字母,并以分毫不差的準确性，在對應的位置插入與之互補的堿基，使新鍊逐漸形成：隻要遇到a，dna聚合酶就在對應的位置插入一個t，隻要遇到g, 就插入一個 c，直到完全形成一條互補的單鍊。同樣的過程也發生在剛剛分開的另一條單鍊上，使原先的一條雙螺旋鍊，變成了兩條:每個子細胞中各一條。

這個看起來簡單的過程，構成了我們星球上所有生物繁衍增殖的基礎。但是,薛定谔在1944年堅持認為，遺傳過程高得驚人的精确度無法用經典實體定律來解釋——他認為，基因太小了，基因的規則性不可能基于“來自無序的有序”原理。薛定谔提出，基因一定屬于某種“非周期性晶體” (aperiodiccrystal)。那麼,基因真的是非周期性晶體嗎?

基因真的是非周期性晶體嗎?

晶體，比如鹽粒，有其特殊的形态。氯化鈉晶體(普通的鹽)是立方體, 而以冰的形式存在的水分子會組成六方體,并形成形态各異的雪花。晶體的形态是分子在晶體内部有序堆積的結果，是以，歸根結底，決定晶體形狀的還是量子規律,因為量子規律決定了分子的形狀。然而，雖然标準晶體高度有序，但是無法編碼資訊。因為每一個重複的晶體機關都完全一樣—— 有點像棋盤格子樣式的桌面,一條簡單的規律便足以描述整個晶體。

薛定谔提出，基因屬于他所謂的非周期性晶體：也就是說，這類晶體既具有和标準晶體類似的重複分子結構,但又經過某種調整,在重複機關之間有不同的區間或周期(是以稱為“非周期”)，或是重複機關本身具有不同的結構——更像是花紋複雜的挂毯而非桌面。薛定谔認為，這些經過調整的重複結構編碼了遺傳資訊,而且像晶體一樣，它們的秩序也應該處于量子級别。注意，薛定谔提出這些主張時，比沃森和克裡克的發現還要早十年：基因的結構，甚至基因的組成，多年之後才逐漸為人所知曉。

那麼，薛定谔是對的嗎？很顯然，dna密碼确實是由重複的結構—— dna 堿基——組成的。dna 堿基非周期性地出現，每個重複機關中一定包含四種不同堿基中的一種。正如薛定谔的預言，基因确實是非周期性晶體。但是非周期性晶體并不一定在量子級别編碼資訊，比如，照片底版上不規則的顆粒是由銀鹽造成的,而非量子現象。為了檢驗薛定谔關于基因是量子主體的預測是否同樣正确,我們需要更深入地觀察dna 堿基的結構，特别是 a 與 t、c 與 g 之間互補的堿基配對。

攜帶遺傳密碼的 dna配對靠的是将互補的堿基結合在一起的化學鍵。我們之前已經提到，這些鍵叫作氫鍵，是由兩個原子共用一個質子(也就 是氫原子核)形成的，兩個原子分别屬于在對應的兩條單鍊上互補的堿基: 正是這些氫鍵讓堿基配對結合。堿基 a 與堿基 t 配對, 因為每一個 a上的質子都恰好處于正确的位置，可以與t 形成氫鍵。堿基 a 無法與堿基 c 配對，因為質子的位置不對，無法形成氫鍵。

以質子為媒介進行配對的核苷酸堿基就是在一代又一代生命之間複制和傳遞的遺傳密碼。而且,這可不是一次性的資訊轉移,不是用一次性密碼本加密的資訊,用後便要銷毀。遺傳密碼的可讀性必須要能夠貫穿細胞的一生,以便指揮細胞完成蛋白質的生産過程，制造出生命的引擎——酶, 并通過酶來編排細胞所有其他的活動。這個過程由一種叫作 rna聚合酶的酶來完成。像 dna聚合酶一樣,rna 聚合酶會讀取沿着 dna 鍊進行 編碼的質子的位置。就像一條資訊要表達的意思或是一本書的謀篇布局是 由書頁上字的位置所決定的一樣,雙螺旋結構中質子的位置決定了生命的 “故事”。

原文釋出時間為：2016-08-13

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