產生
量子生物學的產生原因有兩個：一是分子生物學和量子生物學的興起不僅使生物學從一門描述性學科向解釋性學科過渡, 而且已有從定性科學發展到定量科學, 成為一門精密科學的明顯趨勢。生物學是研究生命現象的科學。作為農業科學和醫學的理論基礎, 這個研究物質最高級運動形態的學科每前進一步, 取得的每一個重要理論成果, 都可能給技術
以至社會帶來深刻的影響。第二個原因是現代物理、化學理論和實驗技術的飛速進步, 給生物學的發展以巨大的推動, 再加上數學工具, 使我們可以指望有可能全面揭開奇妙的生命現象如遺傳、變異、繁殖、衰老、死亡、疾病、感覺、思維等的奧秘。這些奧秘一旦被揭開或取得重大突破, 必將大大造福於人類社會[1]。
量子力學的創立和發展，吸引著物理學家和化學家，促使他們用以分析具有生物學意義的分子之電子結構，並把結果和生物學活性聯繫起來。例如，1938年R.F.施密特就已開始對致癌芳香烴類化合物進行研究，試圖說明致癌活性與分子的電子結構之間的關係。1939年物理學家P.約爾丹（Jordan）進一步提出了“突變是一種量子過程”，這一觀點在1944年E.薛丁格的《生命是什麼》一書中得到了詳盡的闡述。他還提出了遺傳物質是一種有機分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等構想。這些構想由於J.D.沃森與F.H.C.克里克提出脫氧核糖核酸雙螺鏇結構模型而得到極大的發展，從而奠定了分子生物學的基礎。分子的相互作用必然涉及其外圍電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發展到一定階段之後相互結合的產物。1960年代初，法國著名量子化學家波爾曼夫婦Pullman和Daudel用電子作用的概念研究了化學致癌物質的結構特點和致癌機理。1970年，國際量子生物學會（簡稱ISQB）正式成立。它的發展不僅需要電子計算機的協助和計算方法的改進，還需要與實驗結果密切配合。到目前為止，量子生物學還只限於對較小分子的研究，特別是藥物的作用。對於複雜生物學問題的探討，還有待深入。
研究方法
基本上就是用量子力學的方法來處理一個微觀體系的全部計算過程，並利用由此得出的各種參量,說明所研究對象的結構、能量狀態及變化,進而解釋其生物學活性及生命過程。量子力學把分子中的原子核看成是一個骨架，外圍電子則在這一骨架附近運動。電子不僅具有粒子性，同時還具有波動性。因此對電子的運動可以用一個波函式來描述。這個波函式應滿足量子力學中的基本方程，即薛丁格方程：
H
(1)
原子(含電子,質子,中子)-內部結構模型圖
(2)
式中的x1，…,xn+1表示各原子軌道的波函式,x1,…，xn+1為相應的係數。
因此，對一個具有生物學意義的體系的量子力學計算過程，包括下列步驟：根據欲研究分子的結構，選定合適的波函式,代入波動方程(1)，並求其解。然後將所得結果和欲研究的生物學活性相聯繫。由於精確求解常有困難，因此在計算中經常套用各種近似方法。這種近似性是否適用，還要和實驗結果相印證。從計算結果可以得到兩類不同性質的指數：能量指數與結構指數。能量指數說明體系的能量狀態，例如總能量、躍遷能（不同狀態之間的能量差）。最高填滿分子軌道（即電離勢，簡寫作HOMO）與最低空分子軌道（即電子親合勢，簡寫為LEMO）等。結構指數說明分子的結構特徵，例如鍵級（雙鍵性的大小）、自由價（通過某一原子參與化學反應的能力）、電子電荷等。
研究內容
只要生物分子本身的化學結構或各級結構已經清楚，就有可能研究和這種分子相聯繫的生物學活性的本質，或者它們之間的相互作用。因此量子生物學所研究的問題實際上涉及分子生物學的全部內容。例如重要生物大分子的物理性質、各級結構與功能；酶的結構與催化機制；酶與底物、酶與輔酶、抗原與抗體之間的特異作用；高能磷酸物的電子構造與能量關係；致癌物質的作用機制；藥物作用機制；活體中電子、質子與能量遷移及轉化關係等等。為了方便起見，可以把量子生物學的內容歸納為以下四個方面：
分子間相互作用力的研究 分子間的相互作用力主要考慮的是靜電力：包括引力與斥力。至於電磁力在生物分子中一般認為可以忽略。靜電力又分為強力與弱力兩種，所謂強弱是相對而言的，一般都以平均熱能kT值作為標準。k為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度。由作用力所產生的相互作用能大於kT者為強力，反之為弱力。強力不僅在維持分子的基本骨架（一級結構）中起重要作用（包括離子鍵、共價鍵等），而且還與識別作用有關。弱力包括氫鍵、范德瓦耳斯力和偶極作用，它決定了分子的高級結構（二級、三級、四級結構），因而在維持大分子構象和功能活動中起十分重要的作用。
生物分子的電子結構與反應活性的研究 這是60年代前後量子生物學的主要研究領域。以核酸為例，核酸中的5種鹼基都是共軛系統，由於結構不同,對輻射的抗性也不同。一般來說，嘌呤的抗性大於嘧啶；同為嘌呤，腺嘌呤又大於鳥嘌呤。按抗性大小可排列成下列次序：
A>G>C>U>T
量子生物學計算表明,這5種鹼基的每個π電子的共振能的大小（能量指標之一，說明體系的穩定程度）正好符合上述次序。又如3環以上、7環以下的許多芳香烴，其中有不少有致癌活性；能致癌的烴中，其活性又有強弱不同。為了從理論上說明這一問題,普爾曼等提出了K區理論。圖中畫出了一個芳香烴1,2-苯並蒽的K區和一個L區。K區是進行鍵反應的部位，L區是進行對位加成反應的部位（見圖）。他們認為,致癌烴應具有化學反應能力強的K區,而L區則應較弱。他們計算了幾十種芳香烴，並分別用複合指標（包括鍵本身以及鍵所涉及碳原子的電子指數和能量指數）說明有無致癌活性及其強弱的判據。結果雖然還不十分滿意，但基本上為致癌活性與電子結構關係提出了理論依據。但應指出，對孤立分子結構的研究只是一個方面，只有深入研究分子與其作用對象相互作用時的結構改變，才能得到更為滿意的結果。
量子生物學