王大虎

王大虎: 一台精密的量子计算机

王大虎

生命体的基础是细胞,传统认为,细胞是生命与非生命之间的界限,单细胞是微生物,也构成像植物、动物、人等这样的生命体。我们可以把细胞及细胞里面的各个功能单位,看做一个量子复合体,从本质来讲,细胞本身也确实是由各个量子单元组成的精密复合体。

像原子内的电子场在不断运动一样,在活细胞中,细胞质以各种不同的方式在流动着,包括细胞质环流、穿梭流动和布朗运动等,下图074为一种甲藻的细胞核居然也能够自旋转运动。

 

图074 动物细胞

细胞在分裂之前,细胞核中的染色体会被观察到这种旋转运动,因此这种运动一般会被认为与细胞分裂有关,细胞质运动是一种消耗能量的生命现象。细胞的生命活动越X,细胞质流动越快,反之,则越慢。细胞死亡后,其细胞质的流动也就停止了。

细胞构成的生命体就是一个精密的信息网络交换系统,蛋白质,DNA与组蛋白,组成的核小体结构,核糖体具有在细胞体外的自装性与活性。只是他们在细胞体内更像是生命细胞的分工合作者。

 

图075 美国加利福尼亚州劳伦斯·伯克利国家实验室的Carolyn Larabell与同事在加拿大温哥华市召开的美国科学促进会年会上报告说,他们利用X射线成功拍摄了细胞。(图片来源:Carolyn Larabell, Mark Le Gros, and Markko Myllys)

 

图076

蛋白质、DNA、RNA是生命的重要三要素:在生命体内,细胞是生命的基本单元。细胞的信息遗传及活动的流动可以分为两个部分:第一部分是存储于基因DNA序列中的遗传信息通过信使RNA转录和翻译传入蛋白质的一级序列中。第二部分是氨基酸肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象,同时获得生物活性,从而将生命信息表达出来,而蛋白质作为生命信息的表达载体,它折叠所形成的特定空间结构是其具有生物学功能的基础。

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基因的表达是在细胞中完成的,DNA分子、RNA分子、氨基酸分子、核糖体和线粒体等众多的细胞器一道,合作完成遗传信息的转录和翻译。在组成蛋白质的肽链合成后,肽链就从核糖体与mRNA的复合物上脱离,经过一系列步骤,被运送到各自的岗位,盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子,开始承担细胞生命活动的各项职责。DNA是基因的载体,是生命的后台指挥者,蛋白质相当于活跃于生命前台的演员,组成蛋白质的氨基酸分子在细胞内按照逻辑被其他分子有秩序的组装,生命的外在一切性状通过蛋白质来表现。

随着基因组研究不断深入,蛋白组学研究逐渐展开,RNA的研究也取得了突破性的进展,发现了许多新的RNA分子,人们逐渐认识到DNA是携带遗传信息分子,蛋白质是执行生物学功能分子,而RNA既是信息分子,又是功能分子,也是生命开始,进化初始物质。

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对于生物学的探索,随着新的技术手段及研究的不断深入,科学工作者们越来越把目标从分子生物学转向了生物学的量子领域,这是一个进步。而新研究也证明很多构成生命细胞的大分子,比如蛋白质、DNA等越来越体现其量子的特征。只有从量子角度来看,才能够更好地理解细胞内那些有机分子为什么能够像蚂蚁X体那样展开分工,各自坚守自己的岗位。

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细胞中的酶是有机催化剂,酶可以在一秒钟内催化数百万个反应,一些酶的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率,这种现象无法用目前公认的理论来解释。一种理论模型用量子理论的穿隧效应,即质子或电子可以穿过激活能垒(就如同穿过隧道一般)。

蛋白质折叠后在体外可以自发的进行再折叠,实验证明,许多蛋白在体外可以进行可逆的变性、复性、折叠。有人认为蛋白质可自发折叠成天然构象过程是纯粹的热力学过程。

氢键在DNA和RNA中连接着互补编码基因的碱基对,构成了各种蛋白质结构。传统理论认为,只有形成了氢键才能实现质子迁移,在DNA和RNA中氢键网络就像一种“质子线”。而美国伯克利国家实验室的先进光源(ALS)最近发现,在氢键被X的情况下,在没有氢键网络的情况下,质子也可能发生迁移,这意味着在RNA、DNA以及更广泛的生物反应中,存在另一种质子迁移路线。这无疑为科学家研究蛋白质折叠、“Pi堆叠”等生物过程提供了一条新思路。另外下面讲到酶的超速催化反应、基因信息的传播等资料也会罗列出一条线索,这条线索就是在构成生命的有机物内,它们之间不仅仅是外在的表观反映,而且存在多分支直接的量子的逻辑。

以下为有机物及蛋白质的衍射结构,表明有机物的排列,有其量子特征:

蛋白质与组成生命有机分子的结构说明,在生命体基本细菌、细胞结构中,深层领域还是以量子有秩序的排列为主,类似于分子与量子的结构。从分子、量子的深层结构联系,思考生命问题,更具有启发性,而生命包括意识更深层量子的具体表现。

 

图077 多分子或者DNA空间图(图片来源:微图网)

 

图078 蛋白质三维结构的三种显示方式。左:显示全部原子,并以原子类型标色(碳原子为蓝绿色,氧原子为红色,氮原子为蓝色);中:只显示主链构象,以二级结构类型标色;右:显示“溶剂可及表面”,以残基类型标色。(图片来源:X百科,蛋白质结构,作者:Opabinia regalis,版权共享3.0)

 

图079 蛋白质的衍射结构

 

图080 计算机模拟的蛋白质结构(图片来源:壹图网)

 

 

精细的亚显微结构

 

亚显微结构又称为超微结构,它们是能够在电子显微镜下看到的直径小于0.2微米的细微结构,亚显微结构有核膜、核糖体、内质网、线粒体(未染色)、高尔基体、中心体等。

从本质上说,所有的复杂细胞里都有线粒体,线粒体是细胞内微小的细胞器,是生物氧化的场所,以ATP的形式生产我们几乎所有的能量。它们就像活细胞里的微小生命“发电厂”,利用氧来燃烧食物,生产我们赖以生存的几乎全部能量。线粒体非常微小,一粒沙里可以容纳10亿个。平均每个细胞里有300~400个线粒体,整个人体里有1亿亿个以上线粒体。

 

图081

 

图082 线粒体((图片来源:X百科,线粒体,公有版权)

线粒体看上去像细菌,其实它们的前身就是X生活的细菌,大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活,与细胞内蛋白质、DNA、RAN等合作,形成共生,共享细胞环境。至今它们还保留了基因组的一个碎片,作为曾经独立存在的印记。它们与宿主细胞之间纠结的关系织成了生命所有的经纬,从能量、性和繁殖,到细胞自杀、衰老和死亡。

线粒体中保持了自己的部分基因,线粒体呼吸链中的某些蛋白质或酶的编码基因就在mtDNA(线粒体DNA)上。线粒体还能独立合成一些蛋白质,因为线粒体有自己的rRNA、tRNA和核糖体可以表达自己的基因。现在已知的线粒体基因组至少含有tRNA基因、rRNA基因、细胞色素氧化酶基因、ATP酶基因、细胞色素还原酶基因、一些抗药性基因等。

在细胞质内还有微丝和微管等结构,它们的主要机能不只是对细胞起骨架支持作用,以维持细胞的形状,也参加细胞的运动,如有丝分裂的纺锤丝以及纤毛、鞭毛的微管。此外,细胞质内还有各种内含物,如糖原、脂类、色素等。

真核细胞中,肌动蛋白在微丝结合蛋白的协同下,形成独特的微丝性骨架结构,与细胞中许多重要的功能活动有关,如肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等。近年来发现微丝骨架网络系统与细胞信号传递有关。

 

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