生物体内的量子世界( 三 ) 本文转自：北京邮电大学出版

我们的鼻子到底怎样分辨纷繁复杂、形态各异的气味分子？
有一个研究领域似乎更接近量子生物学的现实：嗅觉的科学。
我们的鼻子到底怎样分辨纷繁复杂、形态各异的气味分子，对传统嗅觉理论来说仍然是巨大挑战。当一个气味分子飘入鼻孔，没有人确切知道后面会发生什么。这个分子通过某种不明确的方式与鼻腔内皮肤上的感受器——也就是分子受体——进行了反应。
受过良好训练的人类的嗅觉可以分辨数千种不同的气味。但是这些气味信息是怎样携带在气味分子的形态上的，仍然是一个谜。许多分子的外形几乎完全相同，只不过改变了一两个原子，就可以拥有非常不同的气味。香草醛闻起来是香草味，而分子形状与其极为相似的丁香油酚闻起来却是丁香味。有些分子互为镜像（就像左右手），也具有不同的气味。但更令人奇怪的是，一些形状差异很大的分子闻起来几乎完全一样。
卢卡·图林是希腊亚历山大·弗莱明生物医学研究所的化学家，他正致力破解分子编码气味的特性。“嗅觉本质的独特之处在于，我们分析气味分子和原子的能力，与目前已知的分子识别机制不一致。”他说， “分子形状不是决定气味的唯一因素，分子中化学键的量子特性才提供了关键信息。”
根据图林的嗅觉量子理论，当气味分子进入鼻腔与受体结合时，会导致受体产生一种叫作“量子隧穿”的过程。
量子隧穿效应产生时，电子可以从材料的A点跳跃到B点，就好像绕过了两点之间的所有区域。与鸟类的量子指南针类似，关键因素在于共振。图林说，气味分子中的某个特别的化学键可以与相匹配的能量共振，帮助电子从受体分子的一端跳跃到另一端。
当电子跳跃到受体的另一个位点时，可以触发一系列反应，最终使大脑接收到受体接触到了某种特别分子的信号。图林说，这就是分子具有特定气味的关键，而这一过程从本质上讲是量子的。
“嗅觉需要一种有关分子实际化学成分的机制， ”他说， “正因为这一点，量子隧穿是非常自然的解释。”
这一理论有一个强有力的证据。图林发现，即便是两个形状差异很大的分子，如果它们包含能量相似的化学键，闻起来就可能是一样的。
比如硼烷。这种非常罕见且难以获得的化合物闻起来就像硫黄，但是，硼烷跟硫的化学差异非常大，实际上两者没有任何联系。它们之间唯一的共性就是振动频率。而在自然界中，也只有这两种物质闻起来是一样的。
虽然这个发现对嗅觉量子理论来说是巨大的成功，但仍然不是最终的证据，图林希望能够捕捉到受体正在利用量子现象的瞬间。他说他们已经“非常接近”成功了。“我不想说出来坏了运气，但是我们正在朝这方面努力。”他说， “我们找到了一种实验方法，所以在将来几个月里我们一定会试一试。我认为推进这项研究的关键就在这里了。”
不管自然界是不是已经抢先一步，都有必要把生物学和量子物理学结合起来发展新技术。
无论自然界是不是真的进化出了可以利用量子现象帮助生物体将光能转化为化学能、辨别方向，或者区分香草和丁香的气味的功能结构，原子世界的奇怪特性仍然可以向我们揭示很多活细胞的精细功能。
“还有第二种观察量子力学和生物学相互作用的方法，那就是利用传感和探测。”赫尔佳说， “量子探针可以阐明生物系统动力学中很多有趣的事情。不管自然界是不是已经抢先一步，都有必要把生物学和量子物理学结合起来发展新技术。例如，在生物性光伏电池中使用量子效应，可以极大地提高太阳能电池板的效率。当前，有机光伏领域进行着大量活动，探索怎样通过自然或者人工结构利用量子效应来提高效率。”