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[UFO探索]what?连量子力学也无法解释嗅觉过程的基础

        嗅觉是一种感觉。它由两感觉系统参与,即嗅神经系统和鼻三叉神经系统。嗅觉和味觉会整合和互相作用。嗅觉是外激素通讯实现的前提。 嗅觉是一种远感,意思是说,它是通过长距离感受化学刺激的感觉。相比之下,味觉是一种近感。嗅觉的刺激物必须是气体物质,只有挥发性有味物质的分子,才能成为嗅觉细胞的刺激物。

人类嗅觉的敏感度是很大的,通常用嗅觉阈来测定。所谓嗅觉阈就是能够引起嗅觉的有气味物质的最小浓度。

   据报道,在我们的五种感官中,嗅觉可能是最不受重视的:提到感觉时,视觉、听觉、味觉和触觉都排在嗅觉的前面。正因为如此,我们不仅低估了嗅觉的灵敏度,也低估了它的影响力。事实上,正是嗅觉使食物变得美味可口,并且让我们远离腐败的东西。嗅觉还会激发一些印象最深刻的回忆。

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  不过,坦白说,嗅觉的机制真的让人很困惑。在某种程度上,闻到气味非常简单:只要有分子粘在我们鼻子里的某个部位就行了。气味分子所附着的部位会发送一个信号到大脑,再由大脑控制我们的手去拿食物。当然,这样的描述完全掩盖了其中的复杂性。为什么气味分子会附着?鼻子(以及大脑)又如何分辨不同的分子?

  几年前,有研究者提出了一个奇特的理论,认为嗅觉过程的基础是量子力学。但是,近日一篇发表在自然出版集团《科学报告》(Scientific Reports)上的论文指出,这一理论不大可能成立。该论文的作者是Arash Tirandaz,来自伊朗基础科学研究所。

  一把锁和许多把钥匙

  通常的观点认为,嗅觉的发生基本上归结于分子的形状。鼻子中布满了具有不同窝形的嗅觉分子,当气味分子具有对应的形状时,就会附着在嗅觉分子上。然而,早在研究者提出“形状识别”的模式之前,科学家就在想嗅觉是不是与气味分子和受体分子之间的电子隧穿有关。这种理论认为,因为每个分子都不一样,因此电子隧穿开启的速率,以及电子的能量都会变化,从而使受体分辨出不同的气味分子。

  这似乎是一个无法证实的理论,因此也没有引起太多关注。随着时间推移,形状识别理论积累了大量证据,而电子隧穿理论却变得更加鸡肋。但是,一些问题的存在使这一理论一直保留在研究者的视线中。

  形状识别理论的基础借鉴自其他受体分子的工作方式,即受体和气味分子的关系就像锁和钥匙一样。但是,我们知道嗅觉具有非常精妙的选择性,而蛋白质分子很容易受到所谓“非特异性结合”的影响。换句话说,即使锁和钥匙不是那么匹配,但钥匙有时也可以插进去开锁。反观鼻子,似乎完全不会受到非目标分子的影响。

  另一个问题是,一些形状相似的分子并不总是会引起相似的反应:它们闻起来不一样。有时也存在反过来的情况:结构非常不同的分子闻起来可以完全相同。没有人知道为什么会这样,而各种基于“锁—钥匙”理论的推测也只能解释嗅觉过程的一小部分。

  此外,还有一些非常不可思议的研究结果。科学家曾成功教会蜜蜂区分两种气味分子,而这两种分子在化学上几乎完全相同,唯一的区别是氢被氘(又称重氢,多了一个中子的氢同位素)取代。更令人困惑的是,后续实验显示,不管多少氢原子被氘取代,捕捉到气味分子的受体做出的反应都是一样的。研究人员只能推测,报道中对同位素的敏感性(多个物种表现出来的)是样品污染导致的。

  量子力学的回归

  尽管这些实验结果令人困惑,但在生物学中,量子效应一直被视为无稽之谈,因此用量子力学来解释嗅觉看起来很不现实。后来,科学家发现光合作用依赖于量子运输;之后又发现一些生物磁场感受器直接依赖量子效应。突然间,用量子力学来解释鼻子的工作机制看起来不那么奇怪了。

  现有的电子隧穿模型显然不再适用。举例来说,化学组成相同但具有不同“手性”——就像左手和右手在结构上相同,但彼此互为镜像——的分子通常闻起来不一样,而电子隧穿的简单模型却指出,手性的变化不会改变隧穿。

  当然,生物学极少是简单的。研究者提出了一些更为现实的模型,并对其进行了验证。为了理解这些研究的结果及其局限,我们首先要了解“隧穿”如何工作。

  隧穿是一个真正的量子过程。电子附着在气味分子上,不断靠近嗅觉受体。为了从气味分子转移到受体,电子首先要将自己分离,然后再“跳跃”到受体上。在经典力学的世界中,如果电子没有足够的能量做到这点,那它就永远无法实现这一跳。

  然而,在量子力学中,电子并不仅仅是一个粒子,而是一个概率体。这个概率体的伸展和收缩取决于环境的变化。在这种情况下,电子可以延伸到分子之间的空间中,也就是同时存在于两个分子中。它可能从气味分子跑到受体分子中,之后也可能又回到气味分子中。没有纯粹的效应。

  我们要做的,就是在电子出现在受体分子中时把它固定住,而方法就是分子振动(molecular vibration)。科学家的设想是这样的:电子主要位于气味分子内,后者的振动较为轻微。当受到振动的影响时,电子的能量增加,使其深入受体分子的概率增大。接着,电子就会从气味分子“跳跃”到受体分子中。在这一过程中,电子会由于激发气味分子的振动而失去能量,最终剩余的能量很少,从而使其“概率体”收缩,更大概率落在受体分子内,而隧穿回气味分子的概率就非常小了。

  这一方法吸引人的地方在于,几乎每一种分子(包括具有不同同位素的分子)都具有不同的振动频率特征。这意味着,对每个分子来说,隧穿的速率和电子隧穿的能量都不相同。

  隧穿时的纠缠

  然而,简单的分子振动模型也意味着手性对电子隧穿没有任何影响。当然,隧穿可能不会如此简单。研究人员已经发现了一系列被称为“组合模式”的分子振动形式,会导致不同手性的分子产生不同的隧穿行为。组合模式的意思是,一个分子不仅可以温和地振动,也可能同时发生振动和纠缠。组合模式其实十分普遍,因此可能比纯粹的振动模式更可能发生。从原理上,基于电子隧穿的嗅觉解释是可能的。

  可惜的是,研究者在分析了对称性隧穿和非对称性隧穿的比例之后,发现以电子隧穿理论来解释嗅觉很难成立。主要问题在于,分子的相关属性(包括振动频率、电子和振动之间的耦合力,以及电子必须经过的障碍大小等)存在很大差别。因此,研究人员无法计算出真实的一组分子会表现出什么样的行为。与此相反,他们取的是典型值,然后将分子归入不同范围,以找出电子隧穿在哪里可能出现,在哪里不会出现。

当研究者对气味分子和受体分子的组合采用这样的方法时,结果并不尽如人意。电子隧穿只在很窄的范围内奏效。研究结果显示,电子隧穿取决于压力和温度。当压力增大时,分子振动会由于其他分子的持续撞击而受到干扰。分子并不会停止振动;恰恰相反,它们会一直不停地开启、暂停,从而降低了与电子互动的概率。事实上,特定类型的分子振动已经变得不可能,这些暂停使非对称隧穿不可能出现。

  研究结果透露的信息很清楚:我们无法在超过一定压力的情况下嗅到气味。当然,我们还不知道这个压力值是多少,不同分子的情况也很可能不一样。不过,这毕竟是一个可以继续进行的实验,虽然难度很大——即使每个分子都没有显示出电子隧穿的行为,但下一个分子还是有可能会出现。这样的实验可能会无穷无尽。

  研究者似乎希望找到一个较大的属性范围,使电子隧穿得以发生,然后用一系列实验在某些小鼠的鼻子里发现这种现象。不过,目前的研究结果令人失望,虽然这是一个很重要的理论突破,但很多可能性已经被排除了。