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量子生物学研究发展方向


      量子生物学是使用量子力学的原理和方法以及概念,从分子水平,原子,电子层次学习生命物质和过程。量子力学的建立和发展,吸引了许多物理学家和化学家,促使他们使用量子力学的方法分析生物电子结构,并把结果和生物学活性联系起来。早在1938年,R.F.施密特开始致癌芳烃的研究,试图阐明致癌活性和分子电子结构之间的关系,之后铂尔曼和其他的工作,现在已经成为量子生物学的一个重要组成部分。



      1939年,物理学家P.J ordan提出突变是一个量子过程的观点,薛定谔的《生命是什么》对这一观点进行了详细的阐述,提出了遗传物质是一种有机分子,遗传性状以密码的形式设想通过染色体转移,等由DNA双螺旋结构模型和假设得到了很大的发展,奠定了分子生物学的基础。分子间相互作用必然涉及外围的电子行为,并能准确地描述电子行为的意思就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学发展的必然趋势,是量子力学和分子生物学发展到一定阶段相互结合的产物。



      量子生物学研究方法主要是利用量子力学的方法来处理一个微观系统所有的计算过程,并使用各种参数,从而解释研究对象的状态和改变能源结构,然后解释其生物活性和生命过程。对于生物学意义的系统,根据研究分子结构,选择合适的波函数,代入波动方程中解决,即将欲研究的生物学活性转化为量子化的结构模型。计算结果可以得到两种不同的指数:能量指数和结构指数。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)与最低空分子轨道(即电子亲合势)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。



      只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚,就可以研究和这种分子相关联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包含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致癌物质的作用机制药物作用机制等。可以把量子生物学的内容归纳为以下四个方面:分子间相互作用力的研究、生物分子的电子结构与反应活性的研究、生物大分子的构象与功能的研究和特异作用与识别机制的研究。


      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。量子生物学的发展不仅需要计算方法的改进,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。

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