現代進化論告訴我們，如今地球上包括我們人類在內的所有生命，都是由遠古的原始生命進化而來，而影響生命進化歷程的有兩大關鍵因素，一是

基因突變

，二是自然選擇。

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簡單來講就是，基因突變可以讓生命在代代繁衍的過程中不斷地出現新的性狀，而這些新的性狀會經受自然選擇的考驗，其中適合環境的就能夠延續下來，其它的則被淘汰。

由此可見，基因突變是生命進化的“原動力”，總的來講，基因突變可分為外部因素誘發突變和自發突變。長久以來，

科學家

們一直在研究基因自發突變的內在機制，近日一項發表在《物理化學化學物理》的研究表明，量子力學揭示了進化的秘密：一種特殊的量子效應可以導致基因突變，我們來看一看具體是怎麼回事。

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如上圖所示，基因其實就是DNA片斷，DNA是一種攜帶著遺傳資訊的大分子聚合物，它具有雙鏈結構，與蛋白質一起組成了生命細胞內的遺傳物質聚合體——染色體，而DNA的基本化學結構則是

鹼基

對，組成DNA的鹼基分為四種，分別為腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）以及胸腺嘧啶（T）。

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DNA的雙螺旋結構透過鹼基之間的氫鍵來穩定，而氫原子與鹼基分子之間的吸引力卻相對較弱，它們的連線可以被微觀粒子的熱運動破壞，隨著溫度的升高，氫原子就可能會被“彈”開，從而轉移到一個新的位置上。

在這個過程中，氫原子的電子會被鹼基分子留住，我們知道，氫原子只有一個質子和一個電子，因此在氫原子轉移到新位置的過程中，其實就是單個質子的移動，這種現象被科學家稱為“質子轉移”（如下圖所示）。

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科學家認為，當“質子轉移”發生之後，有時會建立起一種臨時的氫鍵，而如果DNA複製的時候正好遇到了這種情況，那麼基因的“拼圖”就會出現錯誤，從而導致了基因突變。那這跟量子力學有什麼關係呢？我們接著看。

由於鹼基分子結構，氫原子總是會趨向於一個“穩定”的位置，而“質子轉移”則會讓氫原子移動到一個“不穩定”的位置，科學家將氫原子從“穩定”位置轉變為“不穩定”位置所需要的能量閾值稱為“能量屏障”，也就是說，只有氫原子的能量高於這個“能量屏障”，“質子轉移”才可能會導致基因突變。

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研究表明，根據經典力學建立起的計算機模擬程式顯示，正常情況下，鹼基分子結構中的氫原子所具備的能量幾乎不可能突破“能量屏障”，所以我們必須考慮一種特殊的量子效應——量子隧穿效應（Quantum tunneling effect）。

為了方便理解，我們不妨將“能量屏障”比作一個緊固的障礙物，將鹼基分子結構中的氫原子比作一個小球，在經典力學中，只有小球的能量超過了這個障礙物頂部的勢能，它才可以透過。

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而在量子力學中，即使是在這個小球的能量低於障礙物頂部勢能的情況下，它也有一定的機率直接穿過障礙物，這就被稱為量子隧穿效應。

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參與該研究的生物學家路易。斯洛克姆（Louie Slocombe）指出，目前他們的研究專案暫時還只能在單個鹼基和鹼基對的水平上進小規模的建模，在他們的計算範圍內，如果不考慮量子隧穿效應，那麼由“質子轉移”導致基因突變的機率將“非常非常接近於零”。

值得一提的是，量子隧穿效應並非只存在於進化的秘密中，實際上，這種特殊的量子效應早已得到一定的應用，比如說掃描隧道顯微鏡（STM）就是利用了這一原理。

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除此之外，太陽的發光發熱也與量子隧穿效應息息相關，我們知道，太陽的能量來自於其內部的核聚變，而根據科學家的計算，太陽核心的溫度只有1500萬攝氏度，而氫原子核的聚變溫度卻需要至少1億攝氏度，這就意味著，如果沒有量子隧穿效應的存在，太陽內部是無法點燃核聚變的。

本文參考資料：

doi.org/10.1039/D0CP05781A，Quantum and classical effects in DNA point mutations: Watson–Crick tautomerism in AT and GC base pairs