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为探究生理条件下 DNA 中量子电荷传输机制，研究人员基于 DNA 启发的二维紧束缚（TB）晶格模型，分析环境噪声与无序对量子扩散的影响。发现电荷传输与载体类型、碱基序列及噪声特性相关，适度振动噪声可增强量子相干性，为理解 DNA 生物电子过程提供新视角。
在生命科学领域，DNA 的电荷传输机制一直是理解生物电子过程的关键谜题。传统观点认为，细胞环境中的水、分子及热噪声会导致量子相干性快速退相干，使得生理条件下的量子电荷传输难以实现。然而，DNA 在修复、复制等关键生命活动中表现出的高效电荷转移能力，暗示着可能存在未被完全揭示的量子机制。如何调和环境噪声与量子相干性的矛盾，成为解开 DNA 功能奥秘的核心挑战之一。
为突破这一困境，德国乌尔姆大学（Ulm University）的研究人员开展了一项针对 DNA 序列中量子电荷扩散的系统性研究。团队以双螺旋结构中碱基堆叠的 π 轨道重叠为切入点，通过构建二维紧束缚晶格模型（Ladder Model, LM），模拟了电子和空穴在不同类型噪声（热噪声、振动噪声、能量无序）及碱基序列中的动态行为。研究成果发表于《Scientific Reports》，为揭示 DNA 的量子功能提供了关键证据。
研究采用的核心技术方法包括：
- 紧束缚模型构建：基于原子模拟参数，建立 DNA 双链的紧束缚模型，描述碱基位点能量（εj,l）、链内跃迁积分（wj,l）和链间跃迁积分（hj），分析电荷在 HOMO（最高占据分子轨道）和 LUMO（最低未占分子轨道）的传输路径。
- 噪声与环境耦合模拟：引入全局耗散（GD）和局部耗散（LD）两种噪声模型，结合林德布拉德主方程（Lindblad Master Equation）描述系统与环境的相互作用，量化噪声对量子相干性的影响。
- 能量无序与相关性分析：通过高斯分布模拟静态能量无序，引入空间相关系数（Cij）和相干长度（d0）刻画噪声的空间相关性，分析其对电荷传输的调制作用。
研究结果
1. 环境噪声对量子相干性的双重作用
在 5'-GGGGG-3' 等寡核苷酸序列中，全局耗散（GD）模型显示，低频率的空间相关噪声可维持跨多个碱基的相干电荷转移。例如，当相干长度 d0=3 时，适度的振动噪声（σ=0.05 meV）不仅未抑制量子隧穿，反而通过促进轨道重叠增强了相干性。相比之下，局部耗散（LD）模型导致相干性快速衰减，表明噪声作用机制与耦合方式密切相关。
2. 电荷载体类型与序列依赖性
电子与空穴的传输表现出显著差异：电子在 5'-GCACG-3' 序列中可通过隧穿跨越 A-T 碱基对屏障，而空穴则倾向于局域在互补链的 G-C 位点。这种差异导致激子（电子 - 空穴对）的空间分离，可能解释实验中观察到的长寿命激发现象。此外，富含 G-C 的序列（如 5'-GCGCG-3'）通过超交换机制（superexchange）实现高效电荷转移，而甲基化修饰的 CpG 位点可进一步调节传输效率。
3. 能量无序的反直觉效应
静态能量无序（σ=27-360 meV）模拟显示，低强度无序（接近体温波动）对相干性的抑制有限，而高强度无序反而通过诱导能级重新排列，形成临时 “相干岛”。空间相关噪声（如 d0=5）在中等强度（σ=0.1 meV）时，可使电荷传输相关性提高 30%，表明适度无序可能通过量子干涉效应促进长程传输。
结论与讨论
本研究颠覆了 “环境噪声必然抑制量子效应” 的传统认知，揭示了 DNA 在生理条件下支持非经典电荷动力学的机制：
- 噪声特性决定量子命运：低频相关噪声可成为量子相干性的 “保护者”，而高频局部噪声则是 “破坏者”，这为设计仿生量子系统提供了调控策略。
- 序列与载体的协同作用：碱基序列通过能量景观塑造电荷路径，电子 - 空穴的不对称传输可能与 DNA 修复酶（如 MutY 家族）的定向识别机制相关，为解释表观遗传（如甲基化）的量子调控提供了理论基础。
- 跨学科启示：研究架起了量子物理与分子生物学的桥梁，暗示 DNA 可能兼具遗传信息存储与量子信息处理功能，为开发基于 DNA 的生物电子器件（如分子传感器、量子计算单元）开辟了新方向。
这项工作不仅深化了对 DNA 功能的物理本质理解，也为探索生命系统中的量子现象提供了通用研究范式。未来研究可进一步拓展至更长 DNA 链及活细胞环境，揭示量子效应在基因表达调控、疾病发生中的潜在作用。
