基因突变的原因是什么？量子力学的应用，或许能给出答案
什么是DNA?
DNA由脱氧核苷酸组成，脱氧核苷酸由碱基、脱氧核糖和磷酸构成，其中碱基有4种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。它携带有合成RNA和蛋白质所必须的遗传信息，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。
用量子力学解释DNA点突变原因
关于DNA点突变的原因，经典物理学曾给出过答案，解释了为什么DNA螺旋阶梯上的某一阶突然发生变化，导致了所谓的点突变。但随着对量子力学的不断研究，很多经典物理学中的观点都发生了变化。
近日发表在《物理化学》杂志上的一项最新研究中，科学家探索了另一种解释，一种称为质子隧穿的量子现象可以通过使DNA中带正电荷的质子从一个地方跳到另一个地方而引起点突变；反过来，这可以巧妙地改变结合DNA双螺旋结构两侧的氢键，这可能会在DNA复制自身的时候导致错误。
科学家指出，这种细微的变化可能会导致DNA序列错误，于是在DNA链复制时，碱基也会被错误地进行配对。
由于计算能力，目前只能模拟一小部分DNA链
关于DNA碱基对中的氢键和质子转移，需要大量的计算工作，所以目前研究人员还只能在单碱基和碱基对的水平上模拟一小部分DNA链，这意味着该模型不包括DNA双螺旋的两侧，也不包括位于DNA链其他地方的碱基对。这些附近的结构可能对质子隧穿的展开有重大影响，但要模拟整个DNA链，后续需要巨大的计算能力，所以目前暂时还达不到这个水平。
质子转移现象
DNA碱基对中间由氢键连接，氢键是一种氢原子和碱基分子之间相对较弱的吸引力。这些化学键可以通过加热被打破，因为随着温度的升高，分子会剧烈地振动，导致氢原子从原来的位置弹出。
根据经典热力学，这种振动有时会使氢原子跳到DNA中的新位置，短暂地形成新的键。但是原子很快就会被弹回到原来的位置；由于DNA碱基的分子结构，氢原子倾向于在两对碱基之间形成某种“稳定”的位置，跳跃只是短暂的现象。
氢原子只有一个质子，一个带负电荷的电子且没有中子，在DNA形成过程中，当这些原子形成键时，它们的电子会 “失去”。因此，2014年发表在《化学研究报告》上的一篇报告称，实际上当氢原子从DNA链的一端跳到另一端时，它们会以单个质子的形式移动，所以科学家们将这种现象称为“质子转移”。
经典物理学中的质子转移现象并不能解释一切
但是根据这项新的研究，经典的质子转移并不能解释所有质子在DNA中跳跃的例子。换句话说，质子隧穿可能比热本身驱动更多的质子跳跃。
质子隧穿依赖于不确定的量子原理，这并不适用于宏观世界。然而，就亚原子粒子而言，它们的确切位置和速度无法同时计算出来，科学家们只能通过计算粒子以特定速度出现在某一特定地点的概率来捕捉到粒子的模糊图像。
在质子隧穿的背景下，科学家可以计算出质子在某个位置或另一个位置的概率，理论上质子存在于宇宙任何地方的概率都是非零的。
科研小组的最新发现
为了预测质子在DNA中何时何地可能发生转移，研究小组确定了粒子从“稳定”位置断裂到“不稳定”位置所需的能量，这个阈值就是所谓的“能量势垒”，而反弹到稳定状态所需的能量就是“反向势垒”。
研究小组发现，与质子隧穿相比，由热量驱动的经典质子转移的能垒相当高。预测的质子隧穿率远远超过了经典转移，如果不考虑隧穿率，质子跳跃到另一个DNA碱基的概率将“非常非常接近于零”。
研究小组还发现，A-T对之间质子隧穿的反向势垒比G-C对要低得多。这意味着，如果一个质子从一对电子的A端隧穿到T端，“它会立刻回弹，”这是因为反向势垒如此之低，以至于质子很容易就会弹出到它的稳定状态。
而对于G-C，它有个相当大的反向障碍，这意味着状态在相当长的一段时间内是比较稳定的，因此，一旦一个质子跃过了G-C对的“能量势垒”，它可能会在一段时间内保持不稳定的位置。
如果这发生在DNA复制开始之前，质子可能会卡在链的错误序列中。这是因为，为了复制自己，DNA首先会展开并破坏碱基对之间的键。然后，一种叫做聚合酶的酶突然出现，开始将新的碱基装入开口槽中，就像拼图一样。问题是，当聚合酶在一个不稳定的位置遇到一个质子时，它可能会选择错误的拼图碎片作为连接的碱基。
后续将模拟整个NDA系统
这些错误可能导致的点突变看起来似乎是无关紧要的，它不会改变细胞的功能或构建蛋白质的方式，但它们也可能是毁灭性的，因为这样会导致镰状细胞性贫血等疾病和非小细胞肺癌等特定类型的癌症。
但目前，科学家们仍然不知道一个质子需要在不稳定的位置上停留多长时间才能真正发生点突变，毕竟新的研究只模拟了DNA链的一小部分，为了了解质子隧穿发生的频率，后续解决计算问题后，势必会模拟整个系统。
通过这种方式，科学家们可以理清量子物理学和经典物理学是如何解释DNA、如何通过不同的机制驱动质子跳跃，并且这项研究有助于揭示什么条件下质子转移更容易发生，以及这种现象触发有害基因突变的频率。