2025年大学《化学生物学》专业题库- 生物量子化学的研究进展

2025年大学《化学生物学》专业题库——生物量子化学的研究进展考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪项不是通常认为的量子生物学的研究范畴？A.探究光合作用中能量转移的效率优化B.研究鸟类的磁感应机制C.分析蛋白质折叠过程中的熵变D.探讨酶催化反应中底物轨道的量子隧穿效应2.在光合作用中，量子擦除（QuantumZenoEffect）现象通常与哪种效应有关？A.电子自旋翻转B.激子态的快速弛豫C.多重振动态（MultidimensionalVibrationalDynamics）D.量子隧穿导致的能量损失3.被认为是首个被实验证据初步支持具有量子效应的生物感官是：A.鱼类的电场感应B.昆虫的视觉系统C.鸟类的地磁感应D.蛙类的听觉系统4.以下哪种量子化学计算方法在处理包含大量轻原子（如氢）的生物体系时，通常需要较大的计算成本？A.基组扩展有限的紧束缚方法B.密度泛函理论（DFT）C.多体微扰理论（MBPT）D.哈特里-福克方法（Hartree-Fock）5.量子隧穿在酶催化中主要影响：A.底物的结合亲和力B.中间体过渡态的能量C.产物的释放速率D.酶蛋白的构象变化6.为了探测生物体系中的瞬态量子相干现象，研究者常采用的技术是：A.核磁共振（NMR）波谱B.激光诱导荧光光谱C.时间分辨电子顺磁共振（TR-EPR）D.傅里叶变换红外光谱（FTIR）7.生物体系（如蛋白质、DNA）所处的环境（高温、水分、振动）对维持量子态通常构成的主要挑战是：A.量子相干时间的缩短（退相干）B.计算资源的限制C.实验设备的昂贵D.样品制备的困难8.以下哪项不是目前生物量子化学研究中使用的主要理论工具？A.路径积分蒙特卡洛（PIMC）B.经典力学模拟C.多体微扰理论（MBPT）D.时间相关密度泛函理论（TD-DFT）9.将量子计算模拟与实验测量相结合进行生物量子化学研究的主要优势在于：A.仅能提高计算速度B.仅能降低实验成本C.能够相互验证，提供更可靠的认识D.仅适用于研究非常简单的系统10.人工智能（AI）和机器学习（ML）在生物量子化学领域的主要潜在应用不包括：A.加速复杂量子化学计算B.模拟退相干过程C.从海量数据中识别量子信号特征D.设计全新的量子生物学实验方案二、填空题（每空2分，共20分）1.量子生物学是研究生物系统中__________现象及其功能的科学领域。2.光合作用中，通过量子效应实现能量在光系统II和光系统I之间近乎无损传递的现象被称为__________。3.目前，关于鸟类利用量子效应感知地磁场最常被引用的理论涉及__________的参与和超导量子相干（SQC）。4.在讨论生物体系中的量子隧穿时，__________效应对于解释某些酶的高催化效率被广泛提出。5.为了在复杂生物环境中探测微弱的量子信号，常常需要利用__________技术来提高信噪比。6.密度泛函理论（DFT）通过引入交换关联泛函来描述电子的__________，在生物量子化学计算中应用广泛。7.量子生物学研究的挑战之一在于，生物大分子所处的环境具有__________，容易导致量子相干态的破坏。8.除了光合作用和地磁感应，__________也被认为是可能存在量子效应的生物过程之一。9.__________方法在模拟包含大量原子和电子的体系时相对高效，但通常精度有限。10.将量子信息处理的概念应用于研究生物信息处理机制是生物量子化学领域一个引人入胜的__________方向。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述量子隧穿效应的基本原理，并举例说明其在化学反应中可能的作用。2.简要解释什么是“退相干”，并说明其在生物量子化学研究中为何是一个核心挑战。3.简述利用光谱学方法探测生物体系中量子效应的一般思路。四、论述题（10分）结合具体的生物实例，论述量子效应（如隧穿、相干）如何在生物功能中发挥关键作用，并分析当前研究中存在的争议或尚未解决的关键问题。试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.B5.B6.C7.A8.B9.C10.D二、填空题1.量子2.量子擦除(或量子优化)3.自由基4.量子隧穿5.单分子(或高分辨率)6.相关性(或相互作用)7.高温、高湿、振动、光解离等(或复杂、动态)8.蛋白质折叠(或酶催化)9.紧束缚方法(或均匀场近似)10.应用(或研究)三、简答题1.解析思路:首先回答量子隧穿是粒子（如电子）能够穿过经典力学中不应能逾越的势垒现象，其发生的概率随势垒高度和宽度的增加以及粒子质量的减小而增大。然后举例说明，如在酶催化反应中，底物分子或中间体的某些原子（如氢原子）可能通过量子隧穿效应越过能垒，从而显著降低反应的活化能，提高反应速率。2.解析思路:首先解释退相干是指量子系统与其所处环境发生相互作用，导致量子相干性（叠加态）丧失的过程。然后说明生物环境（如水分子振动、温度波动、分子碰撞）极其复杂且活跃，容易与生物分子中的量子态相互作用，使其快速退相干，从而难以维持和探测量子效应。3.解析思路:首先说明生物体系中的量子信号通常非常微弱且易受环境干扰。然后阐述光谱学方法（特别是时间分辨光谱）可以通过测量特定波长处信号随时间的演变，来探测和研究体系中的瞬态量子态或量子过程。例如，通过测量光诱导的量子相干振荡或隧穿相关的信号衰减时间，可以推断量子效应的存在及其特征。四、论述题解析思路:首先选择一个明确的生物实例，如光合作用的量子优化能量转移或鸟类的地磁感应。对于所选实例，详细阐述其中量子效应的具体作用机制（如能量转移的量子擦除/多路径干涉优化效率，或地磁感知中自由基超导量子相干）。接着，分析当前研究在