當你呼吸時，氣味分子會被吸入鼻子，然后被一層粘液捕獲，最后被帶到鼻腔頂部一個稱為嗅覺上皮的區(qū)域。這個區(qū)域包含特殊的受體位點，這些受體位點可以檢測分子并向大腦發(fā)送信號。
我們知道，我們對氣味的感覺是由氣味分子被受體部位捕捉到的，從而導致這些神經(jīng)元放電。但是，因為我們不能直接觀察受體，我們必須從間接證據(jù)中推斷它們是如何工作的。現(xiàn)在有兩個關于氣味受體如何工作的主要理論：形狀和振動。
形狀理論認為，氣味感受器具有適合氣味分子的特定形狀，就像一把鑰匙插入鎖中。然而，這個理論并不完全有效，因為我們只有大約 300 種不同的感受器，但我們可以檢測到大約 10000 種不同的氣味，所以背后肯定有一些更復雜的原理。
最新的理論是，每個受體都只與分子的一個部分匹配，因此任何具有該部分的分子都有相似的氣味，例如任何具有硫氫鍵的分子都會聞起來像臭雞蛋。然而，這個理論并不能解釋一切。有些分子由完全相同的基團組成，只是排列方式不同，但它們的氣味卻截然不同。例如，香蘭素與異香蘭素具有相同的分子基團，只是順序不同，但前者聞起來像香草，后者有一種非常難聞的、令人作嘔的藥味。
所以有另一種嗅覺感受器的理論：振動理論。在氣味的振動模型中，氣味受體可以根據(jù)不同分子的振動方式來區(qū)分它們。每個化學鍵都有一定的共振頻率，它會自然振動。有點像吉他弦總是以相同的頻率共振，因此總是給你相同的音高。
不同的分子具有不同的振動頻率特征集，這取決于它們是由什么原子構成的以及它們是如何連接的。過去，科學家們利用這種特性在拉曼光譜中利用光來計算分子的化學成分。當我們用激光照射一束分子時，光被吸收使這些分子鍵振動，然后發(fā)出不同頻率的光。我們可以查看這種新光的頻率，并計算出這些分子是由什么組成的。
這是檢測不同種類分子的好方法，也許我們的氣味受體也在做類似的事情。但是多年來，氣味的振動理論并不是很流行，因為我們的鼻子無法進行拉曼光譜，我們的鼻子處在黑暗之中。
但是還有另一種方法來檢測分子的振動，它使用電子的量子隧穿效應。量子隧穿效應是一種現(xiàn)象，其中像電子這樣的量子粒子可以傳播到普通“經(jīng)典”粒子無法到達的地方，它們可以通過從一側消失并立即出現(xiàn)在另一側來跳過壁壘。這是量子粒子的反直覺行為之一，并且是量子粒子表現(xiàn)為波的結果。
在特定情況下，電子隧穿實際上可以用來找到分子的共振頻率。如果我們?nèi)煞N金屬并用一個小屏障將它們分開，然后施加電壓使電子被推到一側。通常在經(jīng)典物理學中，電子不能穿過這個勢壘，但如果間隙非常小，它可以量子隧穿到另一邊。但是還有一個附加條件，金屬中的電子具有一定的能量，只有存在具有相同能量的空穴時，它才能隧穿到另一側。但是如果另一邊的空穴能量較低，電子就不能隧穿，因為沒有多余的能量可以去到那里。
但是，如果我們將一個分子引入間隙中，就會發(fā)生一些有趣的事情。如果電子和空穴之間的能量差與振動分子共振之一所需的能量相同，則電子被允許穿過隧道，并且當它隧穿時它會將其額外能量用于振動分子。
科學家們已經(jīng)建造了利用這種特性探測分子的機器，這種技術被稱為非彈性電子隧穿光譜。我們可以放入不同的分子，改變電子和空穴之間的能量差，看看電子是否會隧穿，這將告訴你分子的共振，從而告訴我們它是由什么制成的。
也許我們的鼻子也在做同樣的事情，也許我們的氣味感受器的行為就像金屬和間隙一樣，它正在等待氣味分子進入，這使得電子穿過感受器并觸發(fā)神經(jīng)。為了找出答案，科學家們做了一些非常聰明的實驗。根據(jù)該理論，如果你能改變一個分子的共振頻率，你也會改變它的氣味。他們采用同一種分子，其中一部分用更重的氘代替了所有的氫原子，改變了共振頻率。接下來讓不同的受試者嗅探它們，看看他們是否能分辨出它們之間的區(qū)別，最終得出的結論是聞起來確實不同。
盡管振動模型很成功，但它并不能解釋一切。我們聽說過手性分子，它們是由所有相同的物質(zhì)組成但排列成彼此鏡像的分子。因為它們由相同的原子和鍵組成，它們具有相同的振動，所以看起來與拉曼光譜和非彈性電子隧穿光譜等振動測試相同。所以根據(jù)振動理論，它們應該聞起來是一樣的，但事實并非如此。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。