量子生命：臭鸡蛋味道的神秘振动模型

振动模型，臭鸡蛋的味道是78太赫

形状识别在直觉上很好理解：当我们的双手滑进分指手套，用钥匙开锁，或是用扳子拧紧螺丝时，我们都在不自觉地利用形状互补性。此外，目前已知的酶、抗体、激素受体及其他生物大分子主要也是通过原子、分子的几何排列来相互作用。因此，嗅觉形状理论长期得到许多生物学家的鼎力支持也就不足为奇了。这些生物学家中甚至还包括因嗅觉感受器而获得诺贝尔奖的理查德·阿克塞尔和琳达·巴克。

虽然基于振动的信息传递至少在我们的两类感觉——视觉和听觉——中起到了根本性作用，但它对我们来说还是要陌生许多。此外，我们对人眼感知光波振动频率及人耳感知空气振动频率的物理原理已经有了相当深入的理解，但直到最近，才有人对鼻子感知分子振动频率的过程提出了可能的解释。

卢卡·图林（Luca Turin）1953年出生于黎巴嫩，曾在伦敦大学学院学习生理学。毕业后，他搬到法国，在法国国家科学研究中心（工作。一次偶然的机会，在法国尼斯的老佛爷百货商场，图林经历了一次醍醐灌顶般的嗅觉体验。当时，在香水专柜的中间，陈列着日本资生堂公司的新款香水黑色数字（Nombre Noir）。图林描述道：“这是一种介于玫瑰和紫罗兰之间的香味，但又没有两者的甜腻。味道朴素而神圣，接近雪茄盒里逸散的雪松香，同时，气味又不显干涩，似乎闪耀着水润清新的光芒，让香水的深色透着彩色玻璃窗的闪亮。”这次与日本清香的邂逅，让图林对气味的秘密着了迷。分子飘进鼻子之后，究竟是如何创造出如此令人魂牵梦萦的体验的呢？为了揭开谜底，图林开始了一生的探求。

与前辈戴森一样，图林相信分子振动频谱与气味的相关性不可能只是偶然的。戴森的论证让他相信，嗅觉感受器一定在以某种方式探测分子振动。但是，与戴森不同，图林提出了新的分子机制，尽管只是猜测性的解释，但也言之有理。该机制指出，生物分子能够通过电子的量子隧穿来探测化学键的振动。

你或许还记得引言中的介绍，量子隧穿是一种特殊的量子力学性质，指电子或质子等粒子同时具有概率波的性质，能够穿越以传统途径无法穿透的壁垒。在第2章中，我们已经知道，该效应在许多酶促反应中扮演着重要角色。图林在气味之谜中彷徨时，偶然读到了一篇论文，讲的是一种新的分析化学技术——非弹性电子隧穿谱（inelastic electron tunneling spectroscopy，简称IETS）。非弹性电子隧穿谱仪器包含两块相距很近的金属板，中间隔有微小的间隙。如果在两板之间加上工作电压，电子会聚集在其中一板上，使其带负电，成为电子供体，同时受到另一块板的吸引力。另一块板会带正电，成为电子受体。按照古典理论，电子缺乏跃迁的能量来跨越两板之间的隔离间隙。但电子是量子粒子，如果间隔足够小，它们就可以完成从供体到受体的跨越。这个过程被称为弹性隧穿（elastic tunne lling），因为电子在此过程中并未获得或损失能量。

非弹性隧穿

inelastic tunnelling(www.xing528.com)

如果受体上最近的空缺处于较低的能量，那么电子必须失去一些能量，使自身能量与之吻合，才能完成跃迁。这个过程叫作非弹性隧穿。就像“锁钥模型”中的钥匙和锁的关系一样。

然而，弹性隧穿还有一个重要的条件：只有受体上的接收点有空缺，且该空缺的能量与供体恰好相同时，电子才能完成从供体到受体的隧穿。如果受体上最近的空缺处于较低的能量，那么电子必须失去一些能量，使自身能量与之吻合，才能完成跃迁。这个过程叫作非弹性隧穿。不过，失去的能量得有个去处，否则隧穿无法完成。如果将一种化合物置于两板之间，那么只要电子可以将其多余的能量转移给该化合物，电子就能隧穿。也就是说，只要间隙中的分子，其化学键恰好能以适宜的频率振动，与电子失去的能量相呼应，隧穿便可以发生。在以这种方式将多余的能量传递出去之后，这些“非弹性”隧穿电子会以稍低的能量抵达受体金属板；因此，通过分析供体金属板电子与受体金属板电子的能量差，非弹性量子隧穿谱便可以检测分子中化学键的性质。

现在，让我们再用音乐来打个比方。如果你曾玩过弦乐器，便会知道，你完全可以在不碰触某根弦的情况下，靠共振使其发出某个音。实际上，这个小技巧还可以用来给吉他调音。如果你在一根弦上折上一小片碎纸屑，然后在邻弦上拨响同一个音，你便可以完全不碰这根线，而将线上的碎纸屑振掉。这是因为，如果音一旦调准，拨动邻弦会带动空气振动，振动的空气又会将振动传递给没有拨过的弦，使之与拨过的弦一起共振。在非弹性电子隧穿谱中，只有两板之间的物质拥有频率适宜的化学键振动，供体电子才会从供体中弹出，完成隧穿。事实上，隧穿的电子通过拨动分子中的化学键失去了部分能量，完成了其跨越金属板的量子旅程。

图林提出，嗅觉感受器以类似的方式工作，不过嗅觉受体单枪匹马，以单一的分子替代了非弹性电子隧穿谱中的金属板和间隙。他预计，电子首先位于嗅觉受体分子上的供电子位点。与非弹性电子隧穿谱的情况类似，电子本来有可能会隧穿到同一分子中的受电子位点，但图林指出，两个位点之间的能量差阻止了隧穿发生。但是，如果嗅觉受体捕获一个气味分子，而该分子化学键的振动频率恰好合宜，那么电子就可以通过隧穿从供电子位点跳到受电子位点，同时将一部分特定数量的能量转移给气味分子，“拨动”气味分子中的化学键。图林认为，此时位于受电子位点的隧穿电子将释放嵌挂在嗅觉受体内表面的G蛋白，激活嗅觉神经元向大脑传递信号，从而让我们“体验”到橙子的香味。

为了支持自己的量子振动理论，图林积累了大量间接证据。比如，如前所述，含硫氢基团的化合物通常有强烈的臭鸡蛋味儿，而且它们都含有一条硫氢键，振动频率约为76太赫兹（每秒76万亿次振动）。图林用自己的理论明确预测：任何其他分子，无论形态如何，若含有以76太赫兹的频率振动的化学键，应该也会有臭鸡蛋的气味。然而非常不幸的是，几乎没有化合物的频谱会包含这个频段。

图林检索了大量光谱学文献，只为发现一种具有相同振动频率的分子。功夫不负有心人，他终于发现，硼烷类化合物中的硼氢键，其振动频率中值约为78太赫兹，与硫氢键76太赫兹的振动频率非常接近。但硼烷的气味如何呢？光谱学文献中没有记载，而且该化合物很不稳定，他也不能拿起来闻一闻。后来，他发现一篇早期的论文，文中称这类化合物闻起来会“令人厌恶”，而这个词也经常用来形容硫磺燃烧时的气味。后来证明，硼烷类化合物是目前已知唯一不含硫却和硫化氢一样有臭鸡蛋味儿的分子——比如癸硼烷，仅由硼原子和氢原子构成，分子式为B10H14。

在数千种试闻过的化合物中，唯一与硫化氢具有相同气味的分子，具有与之相同的振动频率。该发现为嗅觉的振动理论提供了强有力的证据。要知道，为解开气味的分子之谜，香水师们已经试了几十年。图林成功地完成了其他化学家们没能完成的任务：单凭理论就预测出一种物质的气味——这相当于在分子层面只根据“香水瓶的形状”便预测出了香水的香味。图林的理论还提供了一种能够自圆其说的生物量子力学，在该理论下，生物大分子可以探测一个分子的振动。但是，“自圆其说”还远远不够。我们不禁要问，这个理论真的正确吗？