量子生物学的相关研究

1. 量子生物学的相关研究

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。

2. 量子生物学的研究内容

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。

3. 量子生物学的应用领域

量子物理的新应用研究：量子生物学

4. 量子生物学的介绍

量子生物学是利用量子理论来研究生命科学的一门学科。该学科包含利用量子力学研究生物过程和分子动态结构。利用量子生物学研究量子水平的分子动态结构和能量转移，如果所得结果与宏观的生物学现象相吻合且很难用其他学科的研究重复，则这一研究结果较为可信。

5. 量子生物学是什么？

量子生物学是运用量子力学的概念、方法研究生物学问题的科学。主要研究生物分子间的相互作用力和作用方式，生物分子的电子结构与反应活性，生物大分子的空间结构与功能等。

6. 分子生物物理学的量子生物物理的研究

上述3个方面的研究,都涉及到分子内原子之间以及分子之间的相互作用力，而且在生物对象中,这种作用往往具有高度特异性。例如,抗体与抗原的作用、药物与受体的作用等。作用力决定大分子本身的能态与结构，也决定着能态与结构的变化。作用力本身又主要取决于分子外围的电子，在一定程度上也和原子核有关，这类微观粒子的运动必须用量子力学阐明（见）。

7. 量子医学的研究对象

量子医学的定义就说明了它的研究方向和对象是微观粒子的运动规律。因为量子医学通过量子力学的拓展，以量子技术方式介入医学领域的学科，所以，把人类的医学研究直接从宏观状态进入微观世界。在看得见的世界，一切物体或粒子的运动都遵循宏观物体运动的牛顿力学规律。在看不见的世界，反映微观粒子运动规律的理论是量子力学。量子力学是决定原子核周围电子及各种超微粒子运动和性质的自然法则。量子就是生物体中电子运动所产生的磁能和超微粒子所产生的能量。其实，将能量分化为量子现象，是微观世界一切粒子变化的普遍规律。因为微观世界中一切超微粒子都属于量子层次领域的。而量子医学是在医学领域研究疾病在微观状态发生状态和规律的。

8. 量子物理的新应用研究：量子生物学推动人类进步

量子物理的新应用研究：量子生物学