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生物体中的量子机制——嗅觉的振动理论

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生物体中的量子机制——嗅觉的振动理论

雪花又一年 2018-05-04 15:21:00 浏览314 评论0

摘要: 摘要: 虽然Axel和Buck已在1991年发现了嗅觉感受器,但嗅觉的详细机理尤其是感受器的工作原理仍未被探明。上世纪二十年代起就有生化学家猜测嗅觉可能与分子振动有关。90年代,Turing配合电子隧穿效应提出生物大分子利用非弹性电子隧穿谱探测气味分子的振动从而识别,并建立了理论可行的模型。

摘要

虽然Axel和Buck已在1991年发现了嗅觉感受器,但嗅觉的详细机理尤其是感受器的工作原理仍未被探明。上世纪二十年代起就有生化学家猜测嗅觉可能与分子振动有关。90年代,Turing配合电子隧穿效应提出生物大分子利用非弹性电子隧穿谱探测气味分子的振动从而识别,并建立了理论可行的模型。

 

 人们很早就从经验推知,气味是人的嗅觉对不同化学物质的反应。我们只能闻到小分子的有气味的化学物质,它们常是气态或者有较强的挥发性。但人的嗅觉机制至今是一个没有完全解开的迷。嗅觉这个人类并不十分发达,而又并非至关重要的感观,竟占据了人全部基因的3%来形成,所有其他系统中,只有庞大而不可或缺的免疫系统才能占据与之相似的基因量。这不仅表明嗅觉在人的进化中曾扮演过十分重要的角色,也直观表明了嗅觉系统本身的复杂性。

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图1 嗅觉传导通路

 

嗅觉研究的第一个里程碑式的工作是1991年美国神经科学家Richard Axel和生物学家Linda Buck发现了与每种嗅觉感受器对应的基因。人鼻腔上方共有347种嗅觉感受器,能与不同的气味分子结合,将冲动传到脑中综合后形成约10000种气味。他们也因此获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。


这与人的视觉是相似的,人的视网膜上有3种视锥细胞(感光细胞),分别感受红绿蓝三种不同频率的光,再在人脑中综合为上千种颜色。而目前所有的显示器,打印技术都用这种方式,即几种单色像素来复制多种颜色。但人嗅觉感受器的种类是视锥细胞的数百倍,而且不同于可以用波长表示的色光,气味分子的结构过于复杂,我们难以探明其与感受器结合的机制,从而难以编码人能感受的一万种气味。


但早在嗅觉感受器被发现之前,鲍林就曾猜测嗅觉感受的是分子的形状。这是个在生物中广泛存在的机理,抗体和激素都是与形状相匹配的受体结合从而发挥作用的。当嗅觉感受器被发现后,多数人包括Axelbuck都自然地想到嗅觉感受器可以识别不同形状的分子结构,而347种感受器要能完整对应上万种气味,每种要能与多种分子产生效应,并且一种气味分子也能刺激多种感受器。

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图2 化学物质与细胞表面受体是否配合的示意图


这种直观的形状理论可以解释拥有相同基团的分子具有相似的气味,比如饮用酒精(C2H5OH)和含甲醇(CH3OH)的工业酒精,它们的气味相似,因为都含有羟基。但问题是仍有许多形状相近气味却完全不同的分子。把乙醇的羟基换为巯基,乙硫醇的形状与乙醇很接近,但却完全没有酒精的香味,只有强烈的臭鸡蛋味。二茂铁和二茂镍更能说明问题,它们的形状相似,都是金属原子被夹在两个碳环之间,但气味也有显著差别。显然,它们的不同源于分子内部的金属原子,嗅觉感受器一定能探测分子内部的形状。


我们知道,原子由化学键连接形成分子,当分子被激发后其原子也会围绕它的中心位置振动,而且振动频率取决于原子质量和化学键强度。用与分子振动同频率的光可激发分子,而光被吸收形成光谱。化学分析中常用红外光谱仪测定分子的振动频率,以推测其结构。


早在上世纪二三十年代,Malcolm Dyson就猜想嗅觉也是通过探测分子振动来区分结构的。而Robert Wright则建立了嗅觉振动理论。但显然鼻腔这样大小的空间是不能发出射线探测光谱的,人们难以找到探测分子振动的结构和机理,便逐渐淡忘了振动理论,直到90年代,Luca Turing将量子物理运用到嗅觉机制的研究中。


前面提到硫醇的臭鸡蛋气味来源于其官能团巯基(-SH)。Turing想到要找一个不含巯基却有与巯基相似振动频率的基团,测定其气味。经过计算机的计算,他发现只有硼氢键(B-H)的振动与巯基几乎相同。自然界本不存在含硼氢键的硼烷,1912Stock首次合成硼烷后记录到它具有“强烈的令人反感的像H2S的气味”。而这种气味正是我们所说的臭鸡蛋气味。两种完全不同的分子具有相同的气味,而它们含有振动频率相同的化学键,这强烈地支持了振动理论。


另一个支持振动论而未被形状理论的例子是昆虫可以闻出(或者说探测出)不同的同位素。我们知道元素的化学性质只取决于原子核质子的数量和电子的排布,与中子数目无关,但物理性质会随中子数变化。氘原子的质量大约是氕原子的两倍,而只含氕的分子和只含氘的分子(其他结构相同)有几乎完全相同的形状、化学键、结构,但由于质量差别,氘的振动频率大约只有氕的70%。而实验发现,对同浓度下的普通乙酰苯和将8个普通氢原子替换成重氢的重氢化乙酰苯,果蝇的反应是很不同的:在T型迷宫的两侧分别放置空气和乙酰苯,让几百字果蝇选择其中一端。普通乙酰苯时选择乙酰苯一端的果蝇比空气端的多18%,因为它们喜欢乙酰苯的气味;而换为重氢化乙酰苯后,空气端的果蝇比乙酰苯端多14%,可见果蝇能闻出同位素间的差异。


但嗅觉感受分子振动的机理到底是什么呢?Turing想到的是非弹性电子隧穿效应和非弹性电子隧穿谱。非弹性电子隧穿效应是一种量子效应,在纳米尺度下才显著。我们知道电子能在导线中运动形成电流,若导线断开,电子不能通过就形不成电流了。1958江崎(Leo Esaki)在半导体中发现电子的量子隧穿效应并获得诺贝尔奖,可简单理解为即使导线断开,当断开的距离小至几个纳米之内时,电子就能跨过间隔是电流继续。这是因为电子的量子效应使有一定的几率存在于空间中,包括另一侧的导线中。如果导线的间隔中什么也没有,电子会在穿越后保持原来的能量,成为弹性电子隧穿效应;当间隔中有一个分子存在,电子可以在穿越中和它发生相互作用,释放出与分子振动相应的能量来激发他的振动,称为非弹性电子隧穿效应。如果测得导线电流和两端电压的关系来反映电子能量损失,就可以得到间隔中的分子的振动信息。下图就是John LambeRobert Jaklevic1968年发现的非弹性电子隧穿谱。

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图3 量子隧穿效应和非弹性电子隧穿谱


而生物体内,生物电源,蛋白质导电都可以实现。在Turing工作的基础上,生物学家和物理学家进一步提出了一个模型,可以在生物体内实现非弹性电子隧穿效应而不违背已知的物理定律。


但虽然嗅觉的振动理论能解释一些事实,我们仍无法确定嗅觉中是否有这样一种量子机制。另外,这种隧穿效应在生物体内的信号传导问题近年被提出,根据神经科学的理论这种量子机制仍有待研究。

 

结语

   本文介绍了生物体中众多量子机制中的一种,即嗅觉对分子振动的探测。在提出嗅觉能探测振动的猜想后70年,才由Turing结合量子效应提出了具体的嗅觉隧穿谱模型。要解释生物体中的各种微观现象是困难的,更多新理论将能提供更多猜想和模型。


原文发布时间为:2017-03-23
本文作者:陈晨
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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