生物物理遺傳學

由遺傳學、套用理論物理學和生物學所形成的交叉學科。是通過套用理論物理學和生物學的理論，從整體和綜合的觀點分析、研究遺傳學的理論問題或數理問題的科學。

基本介紹

• 中文名：生物物理遺傳學
• 相關學科：遺傳學、套用理論物理學和生物學
• 性質：交叉學科
• 套用成果：DNA分子結構線、機率和信息量

研究領域簡介

生物物理遺傳學的研究領域簡介

遺傳學從孟德爾定律發展到今天，已有100多年的歷史。遺傳學與其它學科互相滲透，互相影響，彼此促進，形成許多新的邊緣交叉學科。生物物理遺傳學就是其中之一。

生物物理遺傳學的研究應包括下面三個部分：

①、套用理論物理學的方法和新技術探討、分析、研究遺傳學問題，尤其是套用控制論、資訊理論、系統論、熵與負熵的概念，從整體和綜合的觀點分析、研究遺傳學的理論問題或數理問題，構成了理論生物物理遺傳學的研究領域。

②、生物學從定性描述向定量描述發展，以及從巨觀向微觀的發展是重要的方面。從孟德爾的表型性狀水平、摩爾根的細胞染色體水平到現在的分子水平的分子遺傳學都是生化遺傳學的延伸和發展。目前，遺傳學的研究已深入到亞分子的原子和電子水平，逐漸形成了亞分子遺傳學和量子遺傳學。

③、在量子力學突變模型的基礎上，薛定鍔指出生物細胞內的遺傳基因受到一個量子化了的很高能壘----------“能障”的保護。外界的作用要使遺傳物質發生突變，必須越過這一能障才能實現基因中的量子躍遷，形成突變基因而產生遺傳效應。

理論生物物理遺傳學

在孟德爾定律中

資訊理論在孟德爾定律中的套用

當一個系統獲得一定的的信息量後，相當於系統減少了等量的熵。可見，信息量與對應的熵在數值上相等，但兩者的意義不同，信息量表示有序度，而熵表示混亂度（即無序度）。

在生物遺傳現象中，可以用信息量的概念進行分析和研究。在二倍體物種（一對基因）中分離出YY、Yy與yy三種基因型。利用聯合機率矩陣可得出基因型、性狀表現型以及它們的分離比例。圖見下表↓

基因型x	表現型y	P1（x，y）	P2（x，y）	P3（x，y）
YY	W	W 和YY的分離比例為：1/4	L和 YY的分離比例為：0	P（x）y和YY的分離比例為：1/4
Yy	L	W和 Yy的分離比例為：2/4	L和Yy的分離比例為：0	P（x）y和 Yy的分離比例為：2/4
yy	P（x）= ∑yP（x，y）	W和yy的分離比例為：0	L和yy的分離比例為：1/4	P（x）y和yy的分離比例為：1/4
P（x）= ∑xP（x，y）		W和 P（x）x分離比例為：3/4	L和P（x）x分離比例為：1/4	P（x）y和P（x）x的分離比例為：∑yP（y）=1

假若有一個信息傳遞系統，信號源傳送基因型信號x，接收信息者接收基因型信號並解碼變成性狀表現型信號y（W與L）。套用資訊理論中計算信息量的申農公式，得出信號源發出的基因型信號x的信息量I（x）為1．50bit，接收信息者接收到的表現型信號y的信息量I（y）為0．81bit。可見，I（x）>（y），說明信息正在傳遞過程中產生了損失。

DNA分子級結構線

DNA分子一級結構線性排列順序

在遺傳物質DNA的四（m）種核苷酸A、T、G、C中，每次取三（n）個進行重複排列成三聯體密碼子，組成遺傳密碼。根據重複排列的計算公式，由於m=4，n=3（m>n），則三聯體密碼子的總數為：m的n次方=4的3次方=64種。

假若由四種核苷酸組成的DNA分子的一條鏈（互補的另一條鏈的核苷酸分子與它嚴格配對，因此只計算一條單鏈）由1000個

核苷酸組成。由於核苷酸的成分和排列順序不同，並且m=4，n=1000（n>m），則組成的重複排列種數：m的n次方=4的1000次方=10的602次方種。這個極其巨大的天文數字比人類已經知道的宇宙中全部原子數的總和10的73次方大許多。這說明DNA分子能夠儲存極其大量的信息。實際上生物只利用了這些可能排列種數中的一部分，有相當一部分排列方式成為沒有功能的基因。在這些沒有功能的基因中，仍然有極其大量的有利於突變的排列方式存在。可見，基因通過突變而產生新的排列方式的潛能幾乎是無限的；通過基因的突變，為生物進化和人類改造生物的遺傳屬性提供了物質基礎。

若某個遺傳基因的DNA分子段中含有1000個核苷酸對，且雙螺旋的每一條單鏈含有等量的A、T、G、C四種核苷酸，每種為250個。利用不盡相異元素的全排列，在理論上計算出可能排列成4×10的595次方種不同基因。10的602次方和4×10的595次方兩個數字的不同之處在於不盡相異全排列中各元素的組成是一定的，重複排列中各元素的組成和排列順序均可不同。

機率和信息量

遺傳密碼的機率和信息量

遺傳密碼是一種通用性的密碼，在生物界中，從病毒、細菌到人體細胞都採用同樣的遺傳密碼。人們發現真核生物中線粒體的遺傳密碼與細胞核中的通用遺傳密碼略有差別。

將遺傳密碼信息的傳遞假設為一通道系統，S方傳送信息稱為發信者，R方接收信息者為收信者。S方以相等的機率傳送A、T、G、C四種核苷酸信號，每種核苷酸出現的機率均為1/4，則信息量為2bit。由於S方不是傳送單個核苷酸信號而是以三個核苷酸組成三聯體密碼子的形式傳送信號。有計算可知，三聯體密碼子總數為64種。那么，每種三聯體密碼子出現的機率P（x）為1/64，S方傳送的信息量I（x）為64bit。

基因調控

摩爾根的基因調控假說指出：胚胎發育的各個階段，不同的基因群相繼活動起來。基因群相繼活動的先後順序被基因鏈本身具備的一種控制特性所決定。被基因控制的最初反應的生成物將對其周圍的細胞質產生影響，使細胞質發生變化。發生了變化的細胞質又作用於基因，使其它基因群活動，摩爾根用基因調控假說把遺傳學與胚胎學聯繫起來。

在摩爾根的基因調控概念的啟迪下，麥克林托提出“控制因子”的新概念。控制因子能夠調控其它功能基因（又稱結構基因）的活動。某些控制因子也是一種轉座因子，它能從染色體的一個位置跳到另一個位置，甚至從一條染色體跳到另一條染色體，可見轉座因子是一種跳躍基因。跳躍基因同時具有跳動特性和控制其它基因開閉的作用，使得受到控制因子調控的基因像開關一樣時開時閉。

在控制因子學說的基礎上，有人提出細菌操縱子學說。細菌操縱子分為誘導型操縱子和阻遏型操縱子兩大類。誘導型操縱子與能源的分解代謝有關，大腸桿菌的乳糖操縱子是典型代表。操縱子中的結構基因通過轉錄特異性的mRNA而編碼特定的酶，由調節基因所編碼的阻遏蛋白相當於測量元件，測量出誘導物乳糖的濃度，以此為控制信號傳輸給操縱子中的控制元件----------操縱基因調控執行元件-------------結構基因的轉錄活動。當培養基中乳糖濃度高時，細菌會自動產生半乳糖苷透膜酶（操縱子中三個結構基因之一）使乳糖進入細胞內；當乳糖消耗之後，阻遏蛋白（測量元件）又對操縱基因（執行元件）起作用，從而阻遏操縱子中的三個結構基因的轉錄活動。乳糖操縱子自控系統框圖如下↓

培養基中的乳糖	→→→→	細胞內的乳糖濃度	→→→→	阻遏蛋白	→→→→	控制基因	→→→→	結構基因
↑								↓
反饋調節環	←←←←	←←←←	←←←←	分解	←←←←	←←←←	←←←←	酶

阻遏型操縱子與合成代謝（特別是胺基酸的合成）有關。大腸桿菌的色氨酸操縱子中有五個結構基因----------E、D、C、B、A，分別編碼與色氨酸合成有關的五種酶，這是阻遏型調控系統中的執行元件，且有操縱基因和弱化基因。阻遏蛋白為主抑物，色氨酸為輔抑物，兩者結合才能成為有活性的阻遏物，阻遏物抑制操縱基因。當結構基因開啟時，與色氨酸合成的五種酶大量合成，輔抑物色氨酸隨之也大量合成，色氨酸與主抑物結合後對操縱基因起關閉作用，阻遏結構基因的轉錄活動。於是，色氨酸停止合成，結構基因又重新開啟，色氨酸又開始合成。這樣不斷地自動調控，使色氨酸的合成自動保持在一個適當的水平上。另一開關-----------弱化基因，受四磷酸鳥苷的調控。由於四磷酸鳥苷的合成必須與胺基酸缺乏的信號為先決條件；因此，在合成蛋白質的20種胺基酸中，任何一種胺基酸的缺乏的信號為先決條件。當胺基酸缺乏時，也可引起四磷酸鳥苷的合成四磷酸鳥苷作用於弱化基因部位，弱化基因便失去弱化轉錄的作用，從而促進結構基因的轉錄活動，和成色氨酸，同樣將色氨酸的合成自動調節在一個適當水平。阻遏型操縱子自控系統的雙重控制方向入下圖↓

胺基酸（受控元件）	→→→→	胺基酸（受控元件）	→→→→	胺基酸（受控元件）
↑		↓		↓
↑		阻遏蛋白（測量元件）		四磷酸鳥苷（測量元件）
↑		↓		↓
反饋調節環		操縱基因（控制元件）		弱化基因（控制元件）
↑		↓		↓
↑		與門		與門
↑		↓		↓
酶	←←←←	←結構基因（執行元件）	←←←←	結構基因（執行元件）

遺傳進化與負熵

負熵和信息的概念提供了組織複雜程度的進化發展程度的定量描述方法，為現代生物科學提供了新的研究方法和思維方法。玻耳茲曼說，生物為了生存所作的鬥爭，既不是為了物質，也不是為了能量，而是為了熵而鬥爭。負熵是十分積極而有用的，有機體就是賴以負熵而生。新陳代謝中本質的東西是有機體成功地消除自身活動時不得不產生的熵。生物體是一個開放系統，它能不斷地從外界獲得並積累自由能，從而使它的熵變為負。

普里高津指出，不可逆過程熱力學中關於非平衡定態的描述與生物機體的顯著特徵十分符合。生物機體在生長時，在向定態發展的過程中，其熵在減少；生物體的組織結構普遍增加的事實，相當於熵的減少。從熱力學觀點來看，由於活的有機體是一個開放系統，它一旦成熟之後就處於定態中。有機體內許多不可逆（主要為新陳代謝）過程中所產生的正熵率正好被供給的負熵所抵消。系統在生長的最後階段達到每單位質量具有最小熵增率的狀態。在此過程中熵本身在減少，此時在有機體內發生組織和結構的增長。進化學說在敘述這個過程中的“內部複雜化趨勢”時，與上述的熵減少是一致的。

熱力學第二定律指出，在一個孤立系統中發生的運動和變化總是導致熵增加。熵增加就意味著信息量的減少，意味著體系的分解、退化和衰亡。人類的勞動導致了對開放系統增加負熵，因此人類依靠自身的辛勤勞動，改造自然，可越來越多地積累負熵。

亞分子遺傳學

一、遺傳物質的生物能力學特徵

控制論指出，許多儲存信息的方法具有一個共同的重要物理要素，它們似乎都是振動方式很多且頻率相同的高度量子簡併性的系統。許多儲存信息和能量的物質具有很高的介電常數，這種物質在微小擾動時就能產生顯著而穩定的結果，即出現量子簡併性。作為遺傳物質的DNA就具有這種高度量子簡併的特徵。DNA的介電常數高達120000以上，是已知的介電常數最大的物質，可見大自然選擇DNA作為遺傳物質並非偶然。生物機體的新陳代謝和生殖作用的許多問題都與量子簡併性物質有關。

在生物體內，信息的傳遞和變換離不開能量。儘管傳遞信息需要的能量很小，但能量轉移的方式卻多種多樣、靈活、精確。DNA的組成部分----------嘌呤和嘧啶基團中都具有共軛雙鍵，它們都有自己的非偶電子。這些非偶電子不受任何個別原子的束縛，為整個分子的共軛系統所共有，電子的激發能也屬於整個共軛系統。DNA在複製和轉錄過程中作為模板而傳遞信息。由於DNA分子為共軛雙鍵體系，對於實現重疊轉移、共振轉移、電荷絡合物轉移、半導性能帶的電子轉移等各式各樣電子激發能的轉移十分有利。

具有共軛結構的有機高分子化合物有很多特殊的性能，除了順磁性和導電性之外，還表現出催化活性和耐熱性。DNA在複製過程中的模板自身催化活性，以及在轉錄過程中對mRNA合成的異已催化活性都是共軛體系催化活性的表現。

DNA在介質分子的熱運動中得到保護，使遺傳特性相對穩定，這是共軛體系耐熱性的表現。若具有遺傳特性的物質一直保持在37°左右的恆溫條件下，幾千年來的分子熱運動未能破壞它的有序結構。這說明，外界因素要引起生物的遺傳物質發生突變，必須越過一量子化了的很高能壘，即生物體內的遺傳物質被一個“能障”保護著。

DNA分子中存在大量的非偶電子，其自旋方向與原來配對的電子平行而使自旋改變了符號，這叫自旋反向。自旋反向的電子處於激發態，將其能級分裂成三個能量狀態，這種能量狀態稱為三線激發態，簡稱三線態。配對電子的激發則產生單線態，三線態比單線態能量低，相對穩定，壽命較長，三線態是亞穩態。如果三線態一經形成，被激發的電子自旋已經反向，只有再次反轉自旋後才能躍遷到基態。如下圖所示↓

第二單線態	最低（第一）單線態	禁戒躍遷三線態	最低（第一）單線態	最低（第一）單線態
↓（單向性）經過單線激發	↓（雙向性）經過輻射躍遷	↓（雙向性）經過輻射躍遷	↓（單向性）經過輻射躍遷	↓（單向性）經過輻射躍遷
基態	基態	基態	禁戒躍遷三線態	禁戒躍遷三線態
	↓（雙向性）經過輻射躍遷	↓（雙向性）經過輻射躍遷		↑↓（雙向性）經過輻射躍遷
	最低（第一）單線態	禁戒躍遷三線態		基態

該表格說明：第1～4列的關係是依次向下的（儘管也有存在雙相性的情況）；第5列上面三個關係也是依次向下的，但第5列下面三個關係不是依次向下的（為了壓縮，它是上下合併的）。

被激發的電子一經處於三線態能級，就難以回到原來的能級和它最初配對的電子偶合，這是因為它們的自旋已經相同。所以電子從三線態直接躍遷到基態的幾率較小，其三線態的壽命約為單線態的一百萬倍。處於單線態的電子的壽命很短，很快躍遷到基態，同時發出螢光，螢光持續時間僅有10的負10次方～10的負9次方秒，所以單線態又稱為螢光態。電子處於三線態的壽命較長，躍遷到基態時發出磷光，磷光持續時間為10的負4次方～10的負3次方秒，有的最長可達數秒；因此，三線態又稱磷光態。

生物體系要求在一定的長度內具有高度的有序排列，在長距離內以特定的方式對能量進行傳輸。DNA大分子周圍的液晶態有序水結構可以作為電荷載體，例如電子、空穴、質子和離子等作為最初傳遞的基質。在很短的時間內，電子的激發能有可能以激子轉移、電子轉移、自由基轉移等方式進行傳遞。如果DNA周圍的液晶態有序水結構遭到破壞，就可能產生某些病理變化和畸形發育。癌細胞有很低級的組織結構，其中的有序水結構也大為減少。

物質出現半導性的必要條件是滿足與導帶之間的寬度（禁頻寬度，即能隙）不能太大，只要給電子以較小的激活能就可克服能隙從滿帶激發到導帶而導電。具有共軛雙鍵的有機半導性，其分子鏈的長短對降低能隙有很大關係，鏈越長，Π電子所需激活能越小，越容易出現半導性，DNA大分子的長鏈正好滿足這一要求。DNA大分子既表現出共軛雙鍵的效應，又使得大量的非偶電子在基團之間的電子軌道重疊；因而，DNA分子的電子結構有可能出現半導性能帶的形式。

從DNA分子周圍的液晶態水結構，以及DNA本身的電子結構、分子結構，一直到細胞和生物整體都具有高度有序、有組織的複雜系統。這種包含巨大信息量的複雜結構的形成、保持，以及進化發展，與能量控制和信息傳遞之間有著十分複雜的相互依存關係。從亞分子水平探討遺傳物質的理化特性，以及結構和功能的特點，將有助於人們進一步認識生命現象的奧秘。

量子遺傳學

一、遺傳物質中電子激發能的轉移方式

前面從亞分子水平介紹了遺傳物質的生物能力學特徵，如大非偶電子、耐熱性、三線態、液晶水結構等。這些系統不是孤立出現的，而是互為條件、互相影響，並且綜合表現出來統一的特徵，從而使得遺傳物質有可能進行靈活而且振動方式多種多樣的微觀活性能量（即電子激發能）的轉移，並且利用電子激發能傳遞信息。由控制論可知，能量本身不是信息，在自動控制和通訊系統中，若沒有能量的傳遞和轉移，那么信息的傳遞和交換是不能實現的，因此，能量是信息的載體。傳遞信息需要的能量微不足道，如此小的能量可以攜帶和傳遞極其大量的信息。由於生物體的高度自動化，它能非常靈巧地傳遞和處理信息而不需要太大的能量。能量過大反而會破壞生物體精巧而精細的的組織結構和信息傳遞；對有機體而言，要求有靈活的並且受到精確調控的多種多樣的能量轉移機制，以保證生命活動的正常進行。

目前認為在生物活細胞內電子激發能量轉移的可能方式有：共振轉移、重疊轉移、絡合物電荷轉移、半導性能帶轉移、激子轉移、自由基、質子轉移和氫鍵等。