量子计算：揭示刷卡模型的嗅觉

刷卡模型，嗅觉的量子计算

量子振动理论所面临的批评之一是，其理论基础有些含糊不清。现在，来自伦敦大学学院的物理学家组成一个团队，正在解决这个问题。他们于2007年完成了支持隧穿理论的“务实”[49]量子计算，并得出结论：“如果嗅觉受体具有这样的一般性质，那么计算结果既符合物理学原理，也符合观察到的嗅觉特征。”作为团队成员之一，珍妮·布鲁克斯（Jenny Brookes）甚至进一步提出了解决镜像分子问题的方案。而此前，柠檬烯和苦艾萜（见图4-3）这类镜像分子，由于振动频率相同而气味却大不相同，让科学家们很伤脑筋。

首先提出这个理论的，其实是珍妮·布鲁克斯的导师，后来成为大教授的马歇尔·斯托纳姆（Marshall Stoneham），人们有时也称该理论为“刷卡模型”。斯托纳姆是他们那代英国物理学家中的领军人物之一，兴趣甚广，从核安全到量子计算，再到生物学，以及同样契合本章主题的音乐，他都有所涉及，他还吹奏法国圆号。他们师徒二人的理论是用量子力学对罗伯特·莱特的想法进行详尽的阐释，而莱特认为，嗅觉感受器的形状和气味分子化学键的振动都参与了嗅觉作用。他们提出，嗅觉感受器的“结合口袋”就像一个刷卡机。刷卡机在读取卡上的磁条时，会在刷卡机中产生一股电流。但并不是所有的东西都能伸进读卡器，你必须保证卡的形状和厚度正好，磁条也处在正确的位置，然后再刷卡和检查读卡器是否能读卡。

布鲁克斯和她的同事们认为，嗅觉感受器的工作方式与之类似。他们的小组假设，气味分子一定是先进入了一个左旋或右旋的手性“结合口袋”，就像信用卡插进了读卡器。然后，化学键相同但形状不同的分子，比如同一类化合物的左旋分子和右旋分子，会由不同的化学感受器接收。只有在气味分子进入与之形状互补的感受器，才有可能激活振动引导的电子隧穿，从而使受体神经元兴奋。由于左旋分子只能使左旋受体兴奋，它的气味闻起来便与只能使右旋受体兴奋的右旋分子不同。

让我们再用音乐打最后一次比方，如果吉他是气味分子，等待弹拨的吉他弦是化学键，那么嗅觉感受器便有“埃里克·克莱普顿”和“吉米·亨德里克斯”两种形态。两种感受器都能弹出相同的分子音符，但是右旋或左旋的分子必须对应进入右旋或左旋的感受器，就像为右利手设计的吉他只能由惯用右手的吉他手来弹奏一样。所以，虽然柠檬烯和苦艾萜以相同的频率振动，但它们必须分别由左旋或右旋的嗅觉感受器来接收。不同的感受器连接的是不同的脑区，因此会产生不同的嗅觉。这种将形状与量子振动识别相结合的理论，最终为嗅觉提供了一个能解释几乎所有实验数据的模型。(www.xing528.com)

当然，该模型能解释实验数据并不能说明嗅觉作用就一定有量子基础。这些实验数据可以为所有将形状和振动结合在一起的嗅觉理论提供有力证据，而目前还没有实验直接检验量子隧穿是否参与了嗅觉作用。不过，至少到目前为止，电子的非弹性量子隧穿是已知的唯一一个能合理解释“蛋白质如何感知气味分子振动”的机制。

要解开嗅觉之谜，我们还缺一块至关重要的拼图——嗅觉感受器的结构。掌握嗅觉感受器的结构可以帮助我们更容易地找出许多关键问题的答案，比如“结合口袋”在结合每个气味分子时，其“剪裁”到底有多“合身”；为了完成非弹性量子隧穿，受体分子上是否有位置合理的供电子和受电子位点等。然而，尽管一些全世界顶级的结构生物学研究小组奋战多年，依然没有人能成功分离出嗅觉感受器分子，并使科学家们可以像研究酶（见第2章）或光合色素蛋白（见第3章叶绿素分子）中的量子力学机制一样研究它们。自然状态下的嗅觉感受器镶嵌在神经元细胞膜上，就像海面上漂浮的水母。将受体蛋白取出细胞膜，就像将水母抓出大海：它们将无法保持自己原有的形态。而目前还没有办法在蛋白质仍嵌于细胞膜中时就测出其结构。

因此，虽然还有不少争议，但要解释“为什么果蝇和人类能靠嗅觉分辨出正常和氘化的化合物”，唯一合理的理论正是基于量子力学的非弹性电子隧穿。最新的实验表明，除了果蝇和人类，其他昆虫和鱼类也能嗅出化合物中氢和氘的不同。在种类如此丰富的生物中都发现了量子嗅觉，可以说其分布着实广泛。电子能在空间中的某一点消失，并瞬时出现在另一点——人类、果蝇、小丑鱼和许多其他动物，可能正是利用了量子隧穿的这个性质，所以才能截获“来自物质实在”的信息，找到食物、配偶甚至还乡之路。