あなたの鼻は、形状理論として知られる量子物理学を使用してさまざまなにおいを識別します。量子トンネル分光法を使用した振動理論。
好きな人のオーデコロンや、前日に洗い忘れたあの臭い弁当箱のにおいがするとき、私たちの鼻の中で実際に何が起こっているのか疑問に思ったことはありませんか?これらの匂いの違いをどのように見分けることができるのでしょうか?また、私たちはいくつのにおいを区別できるでしょうか?
その数に対する答えは簡単ですが、圧倒的な答えです – 1 兆!私たち人間は、1 兆以上の感覚と識別が可能です さまざまな香り！
ここで、説明が少し難しい「方法」の部分を理解しましょう。このプロセスを理解するために、バニラ ラテから出てくる特定の分子を追跡します。
湯気の立ったカップを受け取るとすぐに、バニラ ラテをバニラのような香りにするバニリンの分子が空気の分子と混ざり始めます。ラテの幸せな香りを嗅ぐと、これらの分子が鼻に入り、鼻孔を通り、鼻腔に入ります。
鼻腔内では、バニリン分子は嗅上皮と呼ばれるこの空間の上部にある郵便切手サイズの領域に到達します。この領域は、嗅覚受容体を含むニューロンの束で構成されています。受容体はバニリンと結合し、脳にシグナルを送信します。このシグナルは、その分子がバニラ由来のバニリンであり、心地よい香りであると解釈されます。
さまざまなにおいを検出する私たちの能力は、これらの嗅覚受容体と匂い物質の間の相互作用の複雑さにあります。
「機能している」鼻の受容体を観察することは不可能であるため、間接的な証拠から受容体がどのように機能するかを推測する必要があります。
それでは、いくつかの理論に取り掛かりましょう！
形状モデル/ロックおよびキー モデル
このモデルは、鍵が錠前に収まるのと同様に、さまざまな形状の匂い分子が対応する嗅覚受容体に収まると主張しています。したがって、さまざまな形とサイズの匂い分子は、さまざまな受容体に適合します。
分子が受容体に固定されると、受容体が信号を脳に送信するため、私たちはその分子のにおいをかぎます。これは、私たちが検出するすべての匂いに対して 1 つの受容体があることを意味するはずです。
しかし、受容体は約300種類しかありません。まるで 300 個のロックがありますが、少なくとも 1 つのロックを開く何千ものキーがあります。
これにより、弱い形状モデルが生じます。 (写真提供:gritsalak karalak/Shutterstock)
この理論は、各受容体が分子全体ではなく、分子の 1 つのセクションにのみ適合するように構築されていることを示唆しています。類似の化学構造 (類似の分子グループ) を持つ分子は、類似の受容体に結合するため、似たような匂いがすると推測できます。たとえば、硫黄と水素の結合を持つ分子は、腐った卵のようなにおいがします。
この理論は観察全体にうまく当てはまりますが、説明できない例外があります。同じグループで構成されていても、配置が異なる特定の分子は、匂いが大きく異なります。たとえば、バニリン（私たちのラテから）はバニラのようなにおいがしますが、イソバニリンには不快な薬のにおいがあります.
振動理論
この別のモデルでは、嗅覚受容体は匂い物質の振動に基づいて匂いの匂いを検出すると述べています。各化学結合には、自然に振動する特定の共振周波数があります。これは、ギターの弦が特定の周波数で振動し、異なる音を出すのと似ています。分子が異なれば、それらがどの原子で構成され、どのように接続されているかに応じて、固有の振動周波数のセットも異なります。この特性は、過去に科学者が光を使用して分子の化学組成を理解するために使用していました。これは分光法と呼ばれる方法です。
分光法とは?
光は電磁波であり、私たちが見ている可視光は電磁スペクトル全体の一部であることをきっと聞いたことがあるでしょう
(写真提供:VectorMine/Shutterstock)
分光法は、物質がどの原子または分子で構成されているかを特定できるプロセスです。基本的な分光法は、物質に白色光を当てることによって行われます。物質内の原子は励起され、振動状態と呼ばれるより高いエネルギー レベルに移行します。クレプトマニアのアトムを見てみましょう。
原子が光エネルギーを盗んで自分自身のために保持していると想像してください。彼はそれを盗んだ後、光ビームが小さくなったことに気づいたが、気にしなかった.突然、彼はエネルギーを失い始め、すぐに原子省がデイブを特定して逮捕しました。
では、デイブはどのようにして捕まったのですか?原子が照射された白色光を吸収すると、原子または分子は特定の量のエネルギーを吸収し、原子または分子に応じて特定の振動周波数で振動します。各元素または化合物には固有の振動周波数があるため、物質の組成を簡単に決定できます。
おそらく、嗅覚受容体はこのようなことをしているのでしょう。しかし、私たちの鼻は放射線を放出しないため、分光法を実行する方法がないため、長年にわたって振動理論は破棄されてきました。
量子力学の重要な概念の 1 つは、すべての物質が波動と粒子の両方として振る舞うということです。この二面性が多くの不可思議な現象を生み出しますが、その一つが電子分光法です。電子分光法では、光の代わりに電子を使用して振動周波数を検出します。
電子トンネル分光法の理論
量子トンネリングとは
量子トンネリングは、電子のような量子粒子が、通常の古典的な粒子が移動できない場所に移動できる現象です。古典的にボールを谷に落とした場合、ボールは間違いなく谷に残ることが知られています。山の向こう側に転がり落ちそうな長い坂があったとしても、そこにはボールが届かない。十分なエネルギーが与えられた場合にのみ、ボールは山の反対側に到達できます。つまり、最初に山に登る必要があります。
しかし、量子力学の確率論的世界では、ボールが谷にとどまる可能性があるだけでなく、谷を通り抜けて反対側の低エネルギー状態になる可能性もあります。
(写真提供:VectorMine/Shutterstock)
簡単に言えば、これは量子粒子が壁を通過できることを意味します。
分光法における量子トンネリングの利用方法
分子の共鳴周波数は、電子トンネリングを使用して見つけることができます。たとえば、2 本の金属棒を小さな障壁で分離し、電圧を印加して電子を片側に押し出すと想像してください。
通常、古典物理学では、電子はこのバリアを通過できませんが、ロッド間のギャップが非常に小さい場合 (数ナノメートルのオーダー)、反対側に量子トンネルを通過する可能性があります。
ただし、追加の条件があります。金属棒の電子は特定のエネルギーを持っており、同じエネルギーを持つ空の穴が反対側にある場合にのみ、反対側にトンネリングできます。反対側に電子のエネルギーよりも低いエネルギーを持つ正孔がある場合、予備のエネルギーの行き場がないため、電子はトンネリングできません。
ギャップに分子を導入すると、非常に興味深いことが起こります。電子と正孔の間のエネルギー差が、分子の共鳴の 1 つを振動させるのに必要なエネルギーと同じである場合、電子は通過する際に分子を振動させるために余分なエネルギーを落とすことができます。
正孔のエネルギーを連続的に変化させ、電子がいつトンネルするかを測定すると、分子の共鳴周波数を決定できます。分光法と同様に、分子の正体を特定できます。このプロセスは、電子トンネル分光法と呼ばれます。
この理論は、私たちの鼻がまったく同じことをしていることを示唆しています!
私たちの匂い受容体は、その金属棒と隙間のように振る舞い、電子が受容体を通過して、そのエネルギーに対応する特定の神経を誘発することを可能にする匂い分子が入ってくるのを待っています.
この理論は本質的に、分子のにおいはその振動周波数に依存することを示しているため、分子の周波数を変えることができれば、そのにおいも変えることができます.この考えを裏付ける証拠を得るために、科学者は分子を取り、そのすべての水素原子を重水素原子で置き換えました。重水素原子は、核内に陽子 1 つだけではなく、陽子 1 つと中性子 1 つを持つより重い形の水素です。水素と同じ性質を持っていますが、重いため振動数が異なります。さまざまな種や人間を対象にテストしたところ、実際には 2 つの分子のにおいが異なることがわかりました。
このモデルは成功していますが、それでもすべてを説明することはできません。キラル分子は、すべて同じ原子でできている分子ですが、互いに鏡像として配置されています。たとえば、式 C10H14O を持つ有機分子であるカルボンには、左右の形があります。
右巻きの分子も左巻きの分子も同じ原子と結合でできているため、振動周波数は同じです。したがって、同じにおいがするはずですが、そうではありません。 1 つはスペアミントの香り、もう 1 つはキャラウェイ シードの香りです!
結論
現在、さまざまな匂いを識別する方法を説明するには、形状モデルとトンネル振動モデルの両方が必要です。おそらく、私たちの受容体は最初に疑わしい形状モデルを使用して分子の形状をチェックし、形状が適合すると、受容体は量子トンネルを使用して振動周波数をチェックします。
作動中の受容体を観察する方法を見つけ出さない限り、確実なことはわかりません。それでも、量子力学が私たちの体の日常的な機能にどのような役割を果たしているのかを見るのは興味深いことです。花のにおいをかぐという単純なことに量子力学が関係しているという事実に頭を悩ませるのは難しいかもしれませんが、強い確率があります
