人為什麼能夠嗅到氣味?原來是 量子隧穿 原理!

2021-01-20 世界大同和文化

 我們的鼻子是如何能夠區分不同氣味的？

        

        傳統的嗅覺理論難以解釋我們的鼻子如何能夠辨別各種不同的氣味大分子——當一些氣味分子進入我們的鼻腔，現在科學界仍然不清楚之後究竟發生了什麼。但不知怎的，這些分子與我們鼻腔內部的一些氣味感受器之間發生了相互作用，並讓我們能夠識別這些氣味。


        科學家們利用量子生物學可能會幫助我們揭開氣味的奧秘。

為什麼我們能夠嗅到氣味？


　　一位經過訓練的專業人士能夠分辨數千種不同的氣味。但氣味分子是如何表達不同氣味的，這一點目前仍然不太清楚。有很多分子在外觀上幾乎是完全一樣的，只是在周圍多了一個或兩個原子，結果它們卻能夠表現出完全不同的氣味。香草素聞起來有香草的味道，但與之結構非常相似的丁香油酚聞上去卻是一股丁香的味道。有些分子的結構相互之間互為鏡像，就像你的左右手那樣，同樣表現出不同的氣味。但同樣的，有些結構非常不同的分子聞上去的氣味卻幾乎完全一樣。


　　盧卡·圖靈（Luca Turin）是希臘BSRC亞歷山大·弗萊明研究院的一名化學家，他長期致力於研究分子的何種性質決定其所表現出的氣味的相關課題。他說：「在嗅覺科學深處有某些非常非常特別的東西，簡單來說就是，我們不知怎的能夠分析不同分子和原子的能力，與我們自認為知曉的分子識別模式不相符合。」他認為，光憑分子結構這一點還無法確定其表現出來的氣味，與此相反，他認為可能是分子內部的一些化學鍵的性質能夠提供有關其氣味類型的關鍵信息。


　　根據圖靈關於氣味和嗅覺的量子理論，當一個氣味分子進入人的鼻腔並與一個氣味接收器相結合，在接收器內部就會發生一種所謂的「量子隧穿效應」。


　　在量子隧穿效應中，一個電子可以穿過材料，從A點抵達B點，在此過程中它似乎能夠繞開中間的材料而不受阻擋。和鳥類的的量子導航器相似，其中的關鍵環節在於共振現象。圖靈認為，在氣味分子中的某個特定化學鍵能夠在特定能量作用下發生共振，從而幫助在接收器分子一側的電子迅速移動到另一側。只有當氣味分子中的化學鍵在合適的能級狀態下發生共振現象時，這樣的隧穿效應才能發生。


　　當接收器內部電子遷移發生時，將會同時引發一系列的連鎖反應，在此過程中將產生一個信號，告訴大腦鼻腔內的氣味接收器接觸到了某種特定種類的氣味分子。圖靈認為，這一過程對於我們的嗅覺至關重要，而這一過程從本質上來講是基於量子效應的。他說：「嗅覺的發生需要牽扯到氣味分子的化學組成。而嗅覺過程的解釋能夠在量子隧穿效應中得到很好的解釋。」　

硼烷聞上去的味道和臭雞蛋很像


　　關於圖靈的這一理論，迄今最強有力的證據來自一項發現，即有兩種在結構上極為不同的分子，只要它們擁有相似能級性質的化學鍵，那麼它們所表現出來的味道就會非常相近。


　　圖靈預測，一種名為「硼烷」的較為罕見的化學物質，其氣味應該會和硫磺相似，或者說聞起來應該會有某種類似臭雞蛋的味道。圖靈此前還從未接觸過這種物質，因此這種預言看起來更像是一種賭博。


　　但他的預測是正確的。圖靈說，這對他而言就像一根鏈條，將兩者聯繫在了一起。他說：「硼烷的化學結構與硫磺完全不同，它們兩者之間的唯一共同點就是它們都擁有相近的共振頻率。實際上，它們也是自然界中目前已知唯一兩種聞上去是硫磺味道的化學物質。」


　　儘管對於該理論而言，這項預測本身是巨大的成功，但還不能算是最終的證明。在理想情況下，圖靈希望能夠完全理解鼻腔內接收器如何通過量子效應辨別不同氣味分子的具體機制。他表示，目前科學家們已經非常接近於開展相關實驗了。他說：「我並不想說喪氣話，但我們的確正在開展相關工作。我想我們會有辦法做下去的，或許我們在接下來幾個月裡就會取得進展。」


　　但不管大自然是否真的會藉助量子效應幫助生命體從陽光中汲取能量，分辨南北方向，或是區分不同的味道，原子世界的奇異特性仍將告訴我們許多有關細胞內部精妙結構的信息。


視頻：超越光速的量子穿隧

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