量子生物学试图用量子理论(量子化学)解释一些生命现象。但现在许多”民科”和非科学的东西都打着量子的旗号。即便是科学的东西,如已经出版的那些量子生物学的科普书,多数是脑洞大开的想象。毕竟生物学的基本功能单位都是分子水平的,而以原子和电子为研究对象的量子理论/量子化学远不能解释复杂的、自我演化的生命现象。不过,在探索生物大分子功能背后的微观机制时,量子化学对一些特定的生物机制能提供一些解释。后者才是真正有科学意义的量子生物学。此时的量子生物学,属于计算化学的内容,本质是用化学规律解释生命规律。这与一些脑洞大开的、玄学性质的”量子”没有联系。
应该把量子生物学这个单词中的量子看成量子化学/计算化学。这里面第一本可循的书是日本永田亲义在70年代写的《量子生物学入门》。这个月读了两遍,渐渐理解了他的思路。书中,他向学生们(不是公众)解释怎样尝试用当时水平的量子化学知识解释碱基间相互作用、酶促反应、ATP的高能键、化学致癌物作用机制、药物与受体结合等话题。经典生物学研究,如分子生物学实验,解释这些机制力有不逮,需要更加基本的化学知识提供思路。
书中的基本思路是用量子化学中的一些指标解释上述问题。限于当时的量化理论,书中选择的指标有轨道能量、电子密度、碱基、非定域能、总能量、熵因子,这也代表了当时的人们在量子化学上的成就。
书中轨道能量相关部分,已有LUMO和HUMO这些前沿轨道的概念了。现在更可以计算不同原子对LUMO和HOMO的贡献。书中电子密度特指π电子密度,而现在与电子密度相关的函数五花八门,常用的有电子密度laplacian、ELF、LOL等,比传统的电子密度指标更有化学意义。现在键级分析指标,也更加丰富。所以,现在可以选择的指标远远多于当时的。
唯一局限性是,试图用量化指标解释生物学问题的逻辑。比如解释致癌物致癌机制时,以致癌性为y,以各种量化指标为x。统计y与各x的相关性,以此推断哪个指标可以解释致癌性的强弱。最初x是那些非量子化学的化学指标,如化学结构、光谱、氧化还原电位等。后来人们,将x聚焦到电子分布的量化指标上。这也是QSAR的思路,忽视了致癌的分子生物学过程。生命现象不是化学性质的简单叠加,预测也不等于因果推理。这种逻辑,认为决定致癌作用的”某种性质”隐藏在分子中间,忽略了生物学过程对分子化学性质差异的放大作用,而这”放大作用”是复杂体系的演化结果。但更好的逻辑又在哪里?现在一直有大量用量子化学研究致癌性的论文。基本都集中于QSAR式研究、亲电反应机理和湾区理论。
还有一些科普读物用量子理论知识(非量子化学)解释视觉、鸟类导航、记忆等等,也称之为量子生物学,不过当前的医学研究暂时不涉及。