Page 195 - 当代控制理论及应用技术概论

第五章 量子控制研究

的全部计算过程，并利用由此得出的各种参量，说明研究对象的结构、能量状态
及变化，进而解释其生物学活性及生命过程。对一个具有生物学意义的体系，根
据欲研究分子的结构，选定合适的波函数，代入波动方程中并求解，就是将欲研
究的生物学活性转化为量子化的结构模型。计算结果可以得到两类不同性质的指
数：能量指数与结构指数。能量指数说明体系的能量状态，如总能量、跃迁能（不

同状态之间的能量差）、最高填满分子轨道（电离势）与最低空分子轨道（电子
亲合势）等。结构指数说明分子的结构特征，如键级（双键性的大小）、自由价
（通过某一原子参与化学反应的能力）、电子电荷等。

只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚，就可以研究和这种分
子相关联的生物学活性的本质，或者研究它们之间的相互作用。因此，量子生物
学所研究的问题实际上包含了分子生物学的全部内容。例如，重要生物大分子的
物理性质、各级结构与功能，酶的结构与催化机制，致癌物质的作用机制，药物
作用机制等。我们可以把量子生物学的内容归纳为以下四个方面：分子间相互作

用力的研究、生物分子的电子结构与反应活性的研究、生物大分子的构象与功能
的研究和特异作用与识别机制的研究。
量子生物化学和光合过程的量子研究已得到了可核查的重要的结果。尤其是

光合作用中，对于俘获光子后发生的分步的、对质子的量子式释放，利用量子生
物学的理论，已获得显著的研究进展（相关理论涉及到较为复杂的光系统 II）。
此外，实验和理论的发现都支持酶促反应中包含量子穿隧机制。将能量转化为化
学能（可用于化学转化）的生物学过程在实质上都是量子力学过程。这些过程包
含化学反应、光俘获、电子激发态的形成、激发能的转移和化学过程（如光合作

用及细胞呼吸）中电子及质子（氢离子）的转移。量子生物学以量子力学效应为
根据，借助数学计算，对生物学相互作用进行模拟。奥地利出生的量子物理学家
和数理生物学家埃尔温·薛定谔早在 1946 年就提出了用量子理论研究遗传系统

的需求，理论生物学家罗伯特·罗森在 1961 年接着给出了一份详细、正式的研
究量子遗传学的办法。在这方面的一个仍未解决的存在争议的问题是：量子效应
在生物系统中的非平凡 / 通用角色（即不受限于分子性质）究竟是什么？然而，
新近关于转录的研究与转录酶对于相干态双链 DNA 的量子信息处理是一致的。
量子生物学还是一门十分年轻的学科，国际量子生物学会（简称 ISQB）于

1970 年成立。量子生物学的发展不仅需要计算方法的改进，还需要与实验结果

187
187