标题：生物物理遗传学
研究领域简介
生物物理遗传学的研究领域简介
遗传学从孟德尔定律发展到今天，已有100多年的历史。遗传学与其它学科互相渗透，互相影响，彼此促进，形成许多新的边缘交叉学科。生物物理遗传学就是其中之一。
生物物理遗传学的研究应包括下面三个部分：
①、应用理论物理学的方法和新技术探讨、分析、研究遗传学问题，尤其是应用控制论、信息论、系统论、熵与负熵的概念，从整体和综合的观点分析、研究遗传学的理论问题或数理问题，构成了理论生物物理遗传学的研究领域。
②、生物学从定性描述向定量描述发展，以及从宏观向微观的发展是重要的方面。从孟德尔的表型性状水平、摩尔根的细胞染色体水平到现在的分子水平的分子遗传学都是生化遗传学的延伸和发展。目前，遗传学的研究已深入到亚分子的原子和电子水平，逐渐形成了亚分子遗传学和量子遗传学。
  ③、在量子力学突变模型的基础上，薛定锷指出生物细胞内的遗传基因受到一个量子化了的很高能垒----------“能障”的保护。外界的作用要使遗传物质发生突变，必须越过这一能障才能实现基因中的量子跃迁，形成突变基因而产生遗传效应。
理论生物物理遗传学
一、在孟德尔定律中信息论在孟德尔定律中的应用
当一个系统获得一定的的信息量后，相当于系统减少了等量的熵。可见，信息量与对应的熵在数值上相等，但两者的意义不同，信息量表示有序度，而熵表示混乱度（即无序度）。
在生物遗传现象中，可以用信息量的概念进行分析和研究。在二倍体物种（一对基因）中分离出YY、Yy与yy三种基因型。利用联合概率矩阵可得出基因型、性状表现型以及它们的分离比例。图见下表↓
基因型x表现型yP1（x，y）P2（x，y）P3（x，y）YYWW 和YY的分离比例为：1/4L和 YY的分离比例为：0P（x）y和YY的分离比例为：1/4YyLW和 Yy的分离比例为：2/4L和Yy的分离比例为：0P（x）y和 Yy的分离比例为：2/4yyP（x）= ∑yP（x，y）W和yy的分离比例为：0L和yy的分离比例为：1/4P（x）y和yy的分离比例为：1/4P（x）= ∑xP（x，y）
W和 P（x）x分离比例为：3/4L和P（x）x分离比例为：1/4P（x）y和P（x）x的分离比例为：∑yP（y）=1假若有一个信息传递系统，信号源发送基因型信号x，接收信息者接收基因型信号并解码变成性状表现型信号y（W与L）。应用信息论中计算信息量的申农公式，得出信号源发出的基因型信号x的信息量I（x）为1．50bit，接收信息者接收到的表现型信号y的信息量I（y）为0．81bit。可见，I（x）>（y），说明信息正在传递过程中产生了损失。二、DNA分子级结构线DNA分子一级结构线性排列顺序
在遗传物质DNA的四（m）种核苷酸A、T、G、C中，每次取三（n）个进行重复排列成三联体密码子，组成遗传密码。根据重复排列的计算公式，由于m=4，n=3（m>n），则三联体密码子的总数为：m的n次方=4的3次方=64种。
假若由四种核苷酸组成的DNA分子的一条链（互补的另一条链的核苷酸分子与它严格配对，因此只计算一条单链）由1000个 
  核苷酸组成。由于核苷酸的成分和排列顺序不同，并且m=4，n=1000（n>m），则组成的重复排列种数：m的n次方=4的1000次方=10的602次方种。这个极其巨大的天文数字比人类已经知道的宇宙中全部原子数的总和10的73次方大许多。这说明DNA分子能够储存极其大量的信息。实际上生物只利用了这些可能排列种数中的一部分，有相当一部分排列方式成为没有功能的基因。在这些没有功能的基因中，仍然有极其大量的有利于突变的排列方式存在。可见，基因通过突变而产生新的排列方式的潜能几乎是无限的；通过基因的突变，为生物进化和人类改造生物的遗传属性提供了物质基础。
若某个遗传基因的DNA分子段中含有1000个核苷酸对，且双螺旋的每一条单链含有等量的A、T、G、C四种核苷酸，每种为250个。利用不尽相异元素的全排列，在理论上计算出可能排列成4×10的595次方种不同基因。10的602次方和4×10的595次方两个数字的不同之处在于不尽相异全排列中各元素的组成是一定的，重复排列中各元素的组成和排列顺序均可不同。三、概率和信息量遗传密码的概率和信息量
遗传密码是一种通用性的密码，在生物界中，从病毒、细菌到人体细胞都采用同样的遗传密码。人们发现真核生物中线粒体的遗传密码与细胞核中的通用遗传密码略有差别。
将遗传密码信息的传递假设为一通道系统，S方发送信息称为发信者，R方接收信息者为收信者。S方以相等的概率发送A、T、G、C四种核苷酸信号，每种核苷酸出现的概率均为1/4，则信息量为2bit。由于S方不是发送单个核苷酸信号而是以三个核苷酸组成三联体密码子的形式发送信号。有计算可知，三联体密码子总数为64种。那么，每种三联体密码子出现的概率P（x）为1/64，S方发送的信息量I（x）为64bit。四、基因调控摩尔根的基因调控假说指出：胚胎发育的各个阶段，不同的基因群相继活动起来。基因群相继活动的先后顺序被基因链本身具备的一种控制特性所决定。被基因控制的最初反应的生成物将对其周围的细胞质产生影响，使细胞质发生变化。发生了变化的细胞质又作用于基因，使其它基因群活动，摩尔根用基因调控假说把遗传学与胚胎学联系起来。
在摩尔根的基因调控概念的启迪下，麦克林托提出“控制因子”的新概念。控制因子能够调控其它功能基因（又称结构基因）的活动。某些控制因子也是一种转座因子，它能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体，可见转座因子是一种跳跃基因。跳跃基因同时具有跳动特性和控制其它基因开闭的作用，使得受到控制因子调控的基因像开关一样时开时闭。
在控制因子学说的基础上，有人提出细菌操纵子学说。细菌操纵子分为诱导型操纵子和阻遏型操纵子两大类。诱导型操纵子与能源的分解代谢有关，大肠杆菌的乳糖操纵子是典型代表。操纵子中的结构基因通过转录特异性的mRNA而编码特定的酶，由调节基因所编码的阻遏蛋白相当于测量元件，测量出诱导物乳糖的浓度，以此为控制信号传输给操纵子中的控制元件----------操纵基因调控执行元件-------------结构基因的转录活动。当培养基中乳糖浓度高时，细菌会自动产生半乳糖苷透膜酶（操纵子中三个结构基因之一）使乳糖进入细胞内；当乳糖消耗之后，阻遏蛋白（测量元件）又对操纵基因（执行元件）起作用，从而阻遏操纵子中的三个结构基因的转录活动。乳糖操纵子自控系统框图如下↓
培养基中的乳糖→→→→细胞内的乳糖浓度→→→→阻遏蛋白→→→→控制基因→→→→结构基因↑






↓反馈调节环←←←←←←←←←←←←分解←←←←←←←←←←←←酶阻遏型操纵子与合成代谢（特别是氨基酸的合成）有关。大肠杆菌的色氨酸操纵子中有五个结构基因----------E、D、C、B、A，分别编码与色氨酸合成有关的五种酶，这是阻遏型调控系统中的执行元件，且有操纵基因和弱化基因。阻遏蛋白为主抑物，色氨酸为辅抑物，两者结合才能成为有活性的阻遏物，阻遏物抑制操纵基因。当结构基因开启时，与色氨酸合成的五种酶大量合成，辅抑物色氨酸随之也大量合成，色氨酸与主抑物结合后对操纵基因起关闭作用，阻遏结构基因的转录活动。于是，色氨酸停止合成，结构基因又重新开启，色氨酸又开始合成。这样不断地自动调控，使色氨酸的合成自动保持在一个适当的水平上。另一开关-----------弱化基因，受四磷酸鸟苷的调控。由于四磷酸鸟苷的合成必须与氨基酸缺乏的信号为先决条件；因此，在合成蛋白质的20种氨基酸中，任何一种氨基酸的缺乏的信号为先决条件。当氨基酸缺乏时，也可引起四磷酸鸟苷的合成四磷酸鸟苷作用于弱化基因部位，弱化基因便失去弱化转录的作用，从而促进结构基因的转录活动，和成色氨酸，同样将色氨酸的合成自动调节在一个适当水平。阻遏型操纵子自控系统的双重控制方向入下图↓
氨基酸（受控元件） →→→→ 氨基酸（受控元件）→→→→ 氨基酸（受控元件） ↑ 
↓
↓↑
阻遏蛋白（测量元件）
四磷酸鸟苷（测量元件） ↑
↓
↓反馈调节环
操纵基因（控制元件） 
弱化基因（控制元件） ↑
↓
↓↑
与门 
与门 ↑
↓
↓酶←←←←←结构基因（执行元件）←←←←结构基因（执行元件） 五、遗传进化与负熵负熵和信息的概念提供了组织复杂程度的进化发展程度的定量描述方法，为现代生物科学提供了新的研究方法和思维方法。玻耳兹曼说，生物为了生存所作的斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争。负熵是十分积极而有用的，有机体就是赖以负熵而生。新陈代谢中本质的东西是有机体成功地消除自身活动时不得不产生的熵。生物体是一个开放系统，它能不断地从外界获得并积累自由能，从而使它的熵变为负。
普里高津指出，不可逆过程热力学中关于非平衡定态的描述与生物机体的显著特征十分符合。生物机体在生长时，在向定态发展的过程中，其熵在减少；生物体的组织结构普遍增加的事实，相当于熵的减少。从热力学观点来看，由于活的有机体是一个开放系统，它一旦成熟之后就处于定态中。有机体内许多不可逆（主要为新陈代谢）过程中所产生的正熵率正好被供给的负熵所抵消。系统在生长的最后阶段达到每单位质量具有最小熵增率的状态。在此过程中熵本身在减少，此时在有机体内发生组织和结构的增长。进化学说在叙述这个过程中的“内部复杂化趋势”时，与上述的熵减少是一致的。
热力学第二定律指出，在一个孤立系统中发生的运动和变化总是导致熵增加。熵增加就意味着信息量的减少，意味着体系的分解、退化和衰亡。人类的劳动导致了对开放系统增加负熵，因此人类依靠自身的辛勤劳动，改造自然，可越来越多地积累负熵。
亚分子遗传学
一、遗传物质的生物能力学特征
控制论指出，许多储存信息的方法具有一个共同的重要物理要素，它们似乎都是振动方式很多且频率相同的高度量子简并性的系统。许多储存信息和能量的物质具有很高的介电常数，这种物质在微小扰动时就能产生显著而稳定的结果，即出现量子简并性。作为遗传物质的DNA就具有这种高度量子简并的特征。DNA的介电常数高达120000以上，是已知的介电常数最大的物质，可见大自然选择DNA作为遗传物质并非偶然。生物机体的新陈代谢和生殖作用的许多问题都与量子简并性物质有关。
在生物体内，信息的传递和变换离不开能量。尽管传递信息需要的能量很小，但能量转移的方式却多种多样、灵活、精确。DNA的组成部分----------嘌呤和嘧啶基团中都具有共轭双键，它们都有自己的非偶电子。这些非偶电子不受任何个别原子的束缚，为整个分子的共轭系统所共有，电子的激发能也属于整个共轭系统。DNA在复制和转录过程中作为模板而传递信息。由于DNA分子为共轭双键体系，对于实现重叠转移、共振转移、电荷络合物转移、半导性能带的电子转移等各式各样电子激发能的转移十分有利。
具有共轭结构的有机高分子化合物有很多特殊的性能，除了顺磁性和导电性之外，还表现出催化活性和耐热性。DNA在复制过程中的模板自身催化活性，以及在转录过程中对mRNA合成的异已催化活性都是共轭体系催化活性的表现。
DNA在介质分子的热运动中得到保护，使遗传特性相对稳定，这是共轭体系耐热性的表现。若具有遗传特性的物质一直保持在37°左右的恒温条件下，几千年来的分子热运动未能破坏它的有序结构。这说明，外界因素要引起生物的遗传物质发生突变，必须越过一量子化了的很高能垒，即生物体内的遗传物质被一个“能障”保护着。
DNA分子中存在大量的非偶电子，其自旋方向与原来配对的电子平行而使自旋改变了符号，这叫自旋反向。自旋反向的电子处于激发态，将其能级分裂成三个能量状态，这种能量状态称为三线激发态，简称三线态。配对电子的激发则产生单线态，三线态比单线态能量低，相对稳定，寿命较长，三线态是亚稳态。如果三线态一经形成，被激发的电子自旋已经反向，只有再次反转自旋后才能跃迁到基态。如下图所示↓
第二单线态最低（第一）单线态禁戒跃迁三线态最低（第一）单线态最低（第一）单线态↓（单向性）经过单线激发↓（双向性）经过辐射跃迁↓（双向性）经过辐射跃迁↓（单向性）经过辐射跃迁↓（单向性）经过辐射跃迁基态基态基态禁戒跃迁三线态禁戒跃迁三线态
↓（双向性）经过辐射跃迁 ↓（双向性）经过辐射跃迁
↑↓（双向性）经过辐射跃迁
最低（第一）单线态禁戒跃迁三线态
基态 该表格说明：第1～4列的关系是依次向下的（尽管也有存在双相性的情况）；第5列上面三个关系也是依次向下的，但第5列下面三个关系不是依次向下的（为了压缩，它是上下合并的）。
被激发的电子一经处于三线态能级，就难以回到原来的能级和它最初配对的电子偶合，这是因为它们的自旋已经相同。所以电子从三线态直接跃迁到基态的几率较小，其三线态的寿命约为单线态的一百万倍。处于单线态的电子的寿命很短，很快跃迁到基态，同时发出荧光，荧光持续时间仅有10的负10次方～10的负9次方秒，所以单线态又称为荧光态。电子处于三线态的寿命较长，跃迁到基态时发出磷光，磷光持续时间为10的负4次方～10的负3次方秒，有的最长可达数秒；因此，三线态又称磷光态。
生物体系要求在一定的长度内具有高度的有序排列，在长距离内以特定的方式对能量进行传输。DNA大分子周围的液晶态有序水结构可以作为电荷载体，例如电子、空穴、质子和离子等作为最初传递的基质。在很短的时间内，电子的激发能有可能以激子转移、电子转移、自由基转移等方式进行传递。如果DNA周围的液晶态有序水结构遭到破坏，就可能产生某些病理变化和畸形发育。癌细胞有很低级的组织结构，其中的有序水结构也大为减少。
物质出现半导性的必要条件是满足与导带之间的宽度（禁带宽度，即能隙）不能太大，只要给电子以较小的激活能就可克服能隙从满带激发到导带而导电。具有共轭双键的有机半导性，其分子链的长短对降低能隙有很大关系，链越长，Π电子所需激活能越小，越容易出现半导性，DNA大分子的长链正好满足这一要求。DNA大分子既表现出共轭双键的效应，又使得大量的非偶电子在基团之间的电子轨道重叠；因而，DNA分子的电子结构有可能出现半导性能带的形式。
从DNA分子周围的液晶态水结构，以及DNA本身的电子结构、分子结构，一直到细胞和生物整体都具有高度有序、有组织的复杂系统。这种包含巨大信息量的复杂结构的形成、保持，以及进化发展，与能量控制和信息传递之间有着十分复杂的相互依存关系。从亚分子水平探讨遗传物质的理化特性，以及结构和功能的特点，将有助于人们进一步认识生命现象的奥秘。
量子遗传学
一、遗传物质中电子激发能的转移方式
前面从亚分子水平介绍了遗传物质的生物能力学特征，如大非偶电子、耐热性、三线态、液晶水结构等。这些系统不是孤立出现的，而是互为条件、互相影响，并且综合表现出来统一的特征，从而使得遗传物质有可能进行灵活而且振动方式多种多样的微观活性能量（即电子激发能）的转移，并且利用电子激发能传递信息。由控制论可知，能量本身不是信息，在自动控制和通讯系统中，若没有能量的传递和转移，那么信息的传递和交换是不能实现的，因此，能量是信息的载体。传递信息需要的能量微不足道，如此小的能量可以携带和传递极其大量的信息。由于生物体的高度自动化，它能非常灵巧地传递和处理信息而不需要太大的能量。能量过大反而会破坏生物体精巧而精细的的组织结构和信息传递；对有机体而言，要求有灵活的并且受到精确调控的多种多样的能量转移机制，以保证生命活动的正常进行。
目前认为在生物活细胞内电子激发能量转移的可能方式有：共振转移、重叠转移、络合物电荷转移、半导性能带转移、激子转移、自由基、质子转移和氢键等。