[论文解读] On two quantum approaches to adaptive mutations in bacteria

Vasily Ogryzko|ArXiv.org|May 28, 2008

Quantum Mechanics and Applications参考文献 45被引用 6

一句话总结

本文提出一个量子理论框架，通过Q-cell和Q-genome两种模型，解释细菌中的适应性突变。该框架引入了‘涨落捕获’模型，包含R-误差与D-误差的相关性，认为环境压力引发退相干，导致从‘虚时’单位时间演化过渡到真实时间复制，选择性地扩增有益的基因组变异。

ABSTRACT

I compare two quantum-theoretical approaches to the phenomenon of adaptive mutations, termed here Q-cell and Q-genome. I use 'fluctuation trapping' model as a general framework. I introduce notions of R-error and D-error and argue that the 'fluctuation trapping' model has to employ a correlation between the R- and D- errors. Further, I compare how the two approaches can justify the R-D-error correlation, focusing on the advantages of the Q-cell approach. The positive role of environmentally induced decoherence (EID) on both steps of the adaptation process is emphasized. A starving bacterial cell is proposed to be in an einselected state. The intracellular dynamics in this state has a unitary character and I propose to interpret it as 'exponential growth in imaginary time', analogously to the commonly considered 'diffusion' interpretation of the Schroedinger equation. Addition of a substrate leads to Wick rotation and a switch from 'imaginary time' reproduction to a 'real time' reproduction regime. Due to the variations at the genomic level (such as base tautomery), the starving cell has to be represented as a superposition of different components, all 'reproducing in imaginary time'. Adidtion of a selective substrate, allowing only one of these components to amplify, will cause Wick rotation and amplification of this component, thus justifying the occurence of the R-D-error correlation. Further ramifications of the proposed ideas for evolutionary theory are discussed.

研究动机与目标

• 使用量子理论模型解释细菌中适应性突变现象。
• 解决在压力下非随机突变如何产生的悖论，挑战经典进化理论。
• 提出一种机制，即环境压力在饥饿细胞中诱导类量子动力学。
• 通过量子相干与退相干，解释复制（R）误差与损伤（D）误差之间的相关性。
• 将单位演化与Wick旋转等量子概念整合进进化生物学框架。

提出的方法

• 使用‘涨落捕获’模型作为描述突变与选择动力学的一般框架。
• 将R-误差（复制误差）与D-误差（损伤误差）作为基因组不稳定性的相关变量引入。
• 将饥饿的细菌细胞建模为具有单位演化、‘虚时’动力学的einselected态。
• 应用Wick旋转，实现从虚时演化到真实时间复制的转变（在底物添加后触发）。
• 将基因组表示为多个状态的叠加，每个状态在虚时中演化，受环境信号触发后选择性扩增。
• 利用环境诱导退相干（EID）解释从类量子动力学到经典选择的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过量子理论模型解释细菌中的适应性突变？
• RQ2 环境压力在诱导细菌细胞中类量子动力学方面扮演什么角色？
• RQ3 在所提出的框架中，R-误差与D-误差的相关性如何建立？
• RQ4 在细菌适应的背景下，‘虚时’演化具有何种意义？
• RQ5 通过环境诱导退相干，从量子动力学到经典选择的转变如何发生？

主要发现

• '涨落捕获'模型要求R-误差与D-误差之间存在相关性，才能解释适应性突变。
• 饥饿的细菌细胞被建模为处于einselected态，具有单位演化、‘虚时’动力学。
• 添加选择性底物后触发Wick旋转，实现从虚时动力学到实时时空的切换。
• 由于其对细胞水平相干性的关注，Q-cell方法比Q-genome方法更能合理解释R-D误差相关性。
• 环境诱导退相干（EID）在适应的两个步骤中均发挥积极作用：突变与选择。
• 该模型通过量子叠加与环境触发，解释了有益基因组变异的选择性扩增。