量子力学对生物网络的启发

东林的扯淡小屋2021-01-11 13:20:31

量子力学对生物网络的启发,都是对复杂对象的解析。这种科学体系可能对我们生物研究很有启发。如同经典物理学不适用于微观世界,需要有量子力学来描述,我们同样需要一套新的数学模型来解释微观世界的生物分子行为。

我们有个基本假设,那就是这种假设是成立的:总存在这种能够解释的数学理论。因此我们的任务就是探究这种生命的本质。比如说我们可以探究最基本的组成单元,然后其组合就能够构造出这个复杂的世界。如同量子是我们假想的最小单位,而最终探究到从原子到更小的微粒。因此不同于现实的连续变化,这种变化是离散的。

概率的思路来解释波粒二象性,世界的本质是概率。最终我们能够观测到的结果是统计层次的期望(期望=事件总数*发生概率)。这种从决定论的可预测性到概率论的不确定性的思路转换,能够对生物现象有更好的描述。

1无限的概念,总能够分割到失去宏观对象的性质的最小单元。一开始是孟德尔通过豌豆杂交实验发现性状对应的遗传因子,然后是摩尔根的基因学说,然后沃森和克里克的DNA双螺旋模型。生物学的基因是我们假设的原子,当然,进一步的研究也发现进一步的基因调控序列,如顺式作用因子:启动子,增强子,绝缘子等等。

2基本单元的假设,如原子,如基因。这些基本单元的组合就构成复杂的世界,如一百多种元素改成这个世界的一切。而DNA序列除了基因序列之外可能具有多种调控序列。

3对基本单元的解析,如对原子结构的学习(从汤姆逊的西瓜模型到卢瑟福的行星模型),也如基因功能的探究。这种对原子结构的探究可能对我们对DNA序列功能的研究相似,虽然都是由ACGT组成的序列,可能还有其它的变化如甲基化修饰。

4数学理论带来学科的成熟。巴尔末公式(λ=f*n^2/(n^2-4),f=364.54)能够解释放电氢气的光谱的规律,说明可能与氢原子结构相关。启发波尔认为电子的轨道只存在于特定的能级,并且结合普朗克的量子学说,能量以hv为最小单位。当然,这些假说并不完全正确,但我们总是比之前更加逼近真实世界的真理。

5各种新现象的发现。同时可能带来各种矛盾的解释,这需要在更大的图景才能得到比较好的解释,如同盲人摸象。 薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学的等价性就说明的确存在某种真理。薛定谔方程利用波粒二象性来处理,而矩阵力学不考虑具体的电子轨道,而是提出类似于黑箱的数学描述,能够对原子的电子数和发射光谱的关系建模。这种数学的实体可能就对应于一定的物理实体。因此这种方法对数据驱动的生物发现也有很大启发,比如说机器学习发现特定的机制可能在一定的表型中发挥重要作用,这种数学收敛的结果可能就对应于生物保守的机制。

这种离散的电子轨道其实一种宏观的统计学描述。电子的运动是一种概率云式的,即概率波。电子具有波粒二象性,因此能够避开电子塌缩的情况。这种概率论的作用在生物的具体机制中也有一定的影响,即生物的各种分子机制的作用是概率性的,最终会有基因的选择性表达。测不准原理,就是概率论的一个重要支持论据。


这个世界的真理是不断深入的。之前认为真空是什么也没有,但接下来就发现正粒子和反离子。我们之前认为的除了编码区序列之外的DNA序列是垃圾基因,但后续研究也发现这些序列可能的调控作用如miRNA,lncRNA等等。


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