简并(degeneracy,但英文degeneracy具有多种含义),在物理学、生物学等领域有不同解释。例如在
量子力学中,原子中的电子,由其能量确定的同一能级状态,可以有两种不同
自旋量子数的状态,该能级状态是两种不同的
自旋状态的
简并态。生物学上,简并是指遗传
密码子的
简并性,即同一种
氨基酸具有两个或更多个密码子的现象。
例如在
量子力学中,原子中的电子,由其能量确定的同一能级状态,可以有两种不同
自旋量子数的状态,该能级状态是两种不同的
自旋状态的
简并态。在量子力学中,对一个算符的一个
本征值如果有一个以上的
本征函数,则把这种情况称为简并,并把它对应于同一个本征值的本征函数的个数称为
简并度。
在
统计物理学中,宏观上由
压强、体积、温度确定的同一宏观热力学状态,在微观上可以对应大量不同的
微观状态,该
热力学状态是这些微观状态的简并态。简并在量子力学和统计物理中的意义不同,在统计物理中,简并是指
量子效应明显的体系。
含有简并电子
基态的非直线型分子都会产生姜-泰勒效应,而发生构型扭曲,例如六
水合铜离子[Cu(OH2)6]的表象平面正方结构。
天然氨基酸只有20种,但编码
氨基酸的
遗传密码表则有60余个,这是因为在同一生物中,同一种氨基酸有至少两个
密码子编码。除Trp和Met只有1个密码子外,其它18种氨基酸均有1个以上的密码子,Phe、
Tyr、His、Gln、Glu、Asn、Asp、
Lys、
Cys各有2个密码子;Ile有3个密码子;Val、Pro、
Thr、Ala、
Gly各有4个密码子;Leu、Arg、Ser各有6个密码子。
许多氨基酸的
密码子的第1和第2个
碱基相同,只有第3个碱基不同,密码子的
简并性,特别是第三位的
胞嘧啶和
尿嘧啶或
鸟嘌呤和
腺嘌呤的简并性常常等同(右表),这说明为什么在不同生物的
DNA中的AT/
GC比率会有很大的变异,而其
蛋白质的氨基酸相对比例却没有很大的变化。
密码子简并性具有重要的
生物学意义,它可以减少有害突变。若每种氨基酸只有一个密码子,61个密码子中只有20个是有意义的,各对应于一种氨基酸。剩下41个密码子都无氨基酸所对应,将导致
肽链合成终止。由基因突变而引起肽链合成终止的概率也会大大增加。简并性使得那些即使密码子中
碱基被改变,仍然能编码原来氨基酸的可能性大为提高。密码的简并也使
DNA分子上
碱基组成有较大余地的变动,例如细菌DNA中G+C含量变动很大,但不同G+C含量的细菌却可以编码出相同的
多肽链。所以
遗传密码的简并性在物种的稳定上起着重要的作用。