我们使用量子隧穿来感受气味？

当你呼吸时，气味分子会被吸入鼻子，然后被一层粘液捕获，最后被带到鼻腔顶部一个称为嗅觉上皮的区域。这个区域包含特殊的受体位点，这些受体位点可以检测分子并向大脑发送信号。

我们知道，我们对气味的感觉是由气味分子被受体部位捕捉到的，从而导致这些神经元放电。但是，因为我们不能直接观察受体，我们必须从间接证据中推断它们是如何工作的。现在有两个关于气味受体如何工作的主要理论：形状和振动。

形状理论认为，气味感受器具有适合气味分子的特定形状，就像一把钥匙插入锁中。然而，这个理论并不完全有效，因为我们只有大约 300 种不同的感受器，但我们可以检测到大约 10000 种不同的气味，所以背后肯定有一些更复杂的原理。

最新的理论是，每个受体都只与分子的一个部分匹配，因此任何具有该部分的分子都有相似的气味，例如任何具有硫氢键的分子都会闻起来像臭鸡蛋。然而，这个理论并不能解释一切。有些分子由完全相同的基团组成，只是排列方式不同，但它们的气味却截然不同。例如，香兰素与异香兰素具有相同的分子基团，只是顺序不同，但前者闻起来像香草，后者有一种非常难闻的、令人作呕的药味。

所以有另一种嗅觉感受器的理论：振动理论。在气味的振动模型中，气味受体可以根据不同分子的振动方式来区分它们。每个化学键都有一定的共振频率，它会自然振动。有点像吉他弦总是以相同的频率共振，因此总是给你相同的音高。

不同的分子具有不同的振动频率特征集，这取决于它们是由什么原子构成的以及它们是如何连接的。过去，科学家们利用这种特性在拉曼光谱中利用光来计算分子的化学成分。当我们用激光照射一束分子时，光被吸收使这些分子键振动，然后发出不同频率的光。我们可以查看这种新光的频率，并计算出这些分子是由什么组成的。

这是检测不同种类分子的好方法，也许我们的气味受体也在做类似的事情。但是多年来，气味的振动理论并不是很流行，因为我们的鼻子无法进行拉曼光谱，我们的鼻子处在黑暗之中。

但是还有另一种方法来检测分子的振动，它使用电子的量子隧穿效应。量子隧穿效应是一种现象，其中像电子这样的量子粒子可以传播到普通“经典”粒子无法到达的地方，它们可以通过从一侧消失并立即出现在另一侧来跳过壁垒。这是量子粒子的反直觉行为之一，并且是量子粒子表现为波的结果。

在特定情况下，电子隧穿实际上可以用来找到分子的共振频率。如果我们取两种金属并用一个小屏障将它们分开，然后施加电压使电子被推到一侧。通常在经典物理学中，电子不能穿过这个势垒，但如果间隙非常小，它可以量子隧穿到另一边。但是还有一个附加条件，金属中的电子具有一定的能量，只有存在具有相同能量的空穴时，它才能隧穿到另一侧。但是如果另一边的空穴能量较低，电子就不能隧穿，因为没有多余的能量可以去到那里。

但是，如果我们将一个分子引入间隙中，就会发生一些有趣的事情。如果电子和空穴之间的能量差与振动分子共振之一所需的能量相同，则电子被允许穿过隧道，并且当它隧穿时它会将其额外能量用于振动分子。

科学家们已经建造了利用这种特性探测分子的机器，这种技术被称为非弹性电子隧穿光谱。我们可以放入不同的分子，改变电子和空穴之间的能量差，看看电子是否会隧穿，这将告诉你分子的共振，从而告诉我们它是由什么制成的。

也许我们的鼻子也在做同样的事情，也许我们的气味感受器的行为就像金属和间隙一样，它正在等待气味分子进入，这使得电子穿过感受器并触发神经。为了找出答案，科学家们做了一些非常聪明的实验。根据该理论，如果你能改变一个分子的共振频率，你也会改变它的气味。他们采用同一种分子，其中一部分用更重的氘代替了所有的氢原子，改变了共振频率。接下来让不同的受试者嗅探它们，看看他们是否能分辨出它们之间的区别，最终得出的结论是闻起来确实不同。

尽管振动模型很成功，但它并不能解释一切。我们听说过手性分子，它们是由所有相同的物质组成但排列成彼此镜像的分子。因为它们由相同的原子和键组成，它们具有相同的振动，所以看起来与拉曼光谱和非弹性电子隧穿光谱等振动测试相同。所以根据振动理论，它们应该闻起来是一样的，但事实并非如此。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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