Como funciona o cheiro? A Conexão Quântica Estranha

Tabela de Conteúdos

• Introdução
• Como funciona o sentido do olfato?
  • Anatomia do nariz e dos neurônios olfativos
  • O papel das moléculas e dos receptores de cheiro
• A relação entre a forma das moléculas e o cheiro
  • O conceito de "fechadura e chave"
  • A descoberta de moléculas com cheiros semelhantes, mas formas diferentes
  • A importância das vibrações moleculares no olfato
• A mecânica quântica e o sentido do olfato
  • A teoria do túnel quântico na física
  • A possibilidade do túnel quântico no sentido do olfato
• A evolução do sistema olfativo
• Conclusão
• Referências

Como o sentido do olfato funciona e qual é o papel da mecânica quântica?

Introdução

Imagine dar um passeio pelo seu parque favorito. Você pode sentir o cheiro do orvalho da manhã, os aromas únicos das plantas, do solo e das flores distantes. Uma sensação de calma e relaxamento toma conta de você. Todas essas sensações são devidas à natureza muito especial do seu sentido do olfato. O que você pode não perceber é que dentro do seu nariz há um dispositivo quântico muito sensível que utiliza a física complexa para lhe dar a capacidade de distinguir, de acordo com as últimas estimativas, um trilhão de cheiros diferentes. Mas como o seu sentido do olfato realmente funciona e o que isso tem a ver com mecânica quântica? Vamos descobrir.

Como funciona o sentido do olfato?

Anatomia do nariz e dos neurônios olfativos

No topo das suas passagens nasais, atrás do nariz, há um grupo especial de neurônios chamado epitélio olfativo. Esses neurônios possuem projeções chamadas cílios, que aumentam sua área de superfície. Qualquer molécula de uma substância com cheiro se liga a receptores de cheiro especiais presentes nesses cílios e estimula os neurônios, enviando um sinal para o seu cérebro. Esse sinal acaba em uma parte primitiva do cérebro chamada sistema límbico, que está associada às emoções e à memória. É por isso que cheiros podem desencadear fortes memórias e reações emocionais.

O papel das moléculas e dos receptores de cheiro

A explicação convencional, desde os anos 1950, era que os receptores nas extremidades desses neurônios olfativos, existindo cerca de 400 receptores de cheiros diferentes, só podiam receber moléculas de formas particulares, e que o tipo exato do cheiro era determinado pela forma como as moléculas dos compostos odoríferos se encaixavam nos receptores dos neurônios. Ao desencadear uma combinação particular dos 400 receptores de cheiro, o cérebro interpreta um cheiro específico. É como uma fechadura e chave, onde a chave é a forma das moléculas dos compostos odoríferos e a fechadura é o receptor olfativo. Uma combinação pode desencadear o cheiro de uma rosa, enquanto outra combinação pode desencadear o cheiro de ovos podres, e assim por diante. Portanto, acredita-se que o que você realmente está cheirando são as formas das moléculas.

No entanto, pesquisadores descobriram que é possível ter moléculas de diferentes formas que possuem o mesmo cheiro. Por exemplo, o cianeto tem o mesmo cheiro de benzaldeído, um cheiro amendoado amargo, mas suas formas são drasticamente diferentes. Assim, os cientistas concluíram que deve haver algo mais do que apenas as formas que determinam o cheiro.

A importância das vibrações moleculares no olfato

Bem, acontece que, embora as formas sejam diferentes, o cianeto e o benzaldeído têm a mesma vibração. Pesquisas recentes sugerem que, de fato, não são apenas as formas das moléculas que determinam o cheiro percebido, mas também as vibrações dessas moléculas. Todas as moléculas vibram com uma certa frequência e ritmo, com base em sua estrutura, ligações e massa. É análogo aos sons produzidos por vários instrumentos devido às suas várias formas.

Luca Turin, um biofísico do Centro de Pesquisas Alexander Fleming, na Grécia, realizou experimentos usando o cheiro de compostos de enxofre. Ele identificou moléculas que possuem a mesma frequência vibracional do enxofre, mas com formas moleculares completamente diferentes do enxofre. O que ele descobriu é que esses compostos, com a mesma frequência vibracional do enxofre, realmente cheiram a enxofre, mesmo que suas moléculas tenham formas totalmente diferentes. No entanto, a pesquisa de Turin não é aceita por todos os pesquisadores olfativos.

Se Turin estiver certo, como nosso nariz é capaz de sentir as vibrações moleculares na mecânica quântica?

A mecânica quântica e o sentido do olfato

A teoria do túnel quântico na física

Na física, as chamadas partículas, como elétrons, são na verdade ondas de probabilidades até o momento em que são medidas. A onda de probabilidade é tal que, quando a partícula encontra uma barreira, a onda de probabilidade não para na barreira, mas continua por uma curta distância. Dessa forma, há uma probabilidade não nula de que o elétron atravesse a barreira e apareça do outro lado da mesma, criando um fenômeno conhecido como "túnel quântico". Na física clássica, isso seria proibido, mas é observado na natureza devido às leis da mecânica quântica.

A possibilidade do túnel quântico no sentido do olfato

Teoriza-se que as vibrações de certas moléculas possam permitir que elétrons de certos receptores de cheiro tunnelm para outros receptores de cheiro e desencadeiem sinais nos neurônios, e posteriormente no cérebro. Moléculas diferentes com vibrações diferentes podem causar taxas de tunneling diferentes. Quando o molécula odorífera tem uma frequência que corresponde à energia do receptor, o túnel quântico funciona de forma a abrir um portal para que um elétron tunelise com mais probabilidade do que quando a molécula e sua vibração não estão presentes. Dessa forma, você pode dizer que nossos narizes não apenas cheiram formas, mas também cheiram vibrações, utilizando a física complexa da mecânica quântica para fazer isso.

A evolução do sistema olfativo

Como nosso nariz evoluiu esse mecanismo sensorial sofisticado? Turin tem uma resposta interessante: ele diz que foram quatro bilhões de anos de pesquisa e desenvolvimento com financiamento ilimitado. De fato, a evolução é um processo que provavelmente subestimamos grandemente.

Conclusão

O sentido do olfato é um fenômeno complexo que está intimamente ligado à mecânica quântica. Embora a forma das moléculas desempenhe um papel importante na percepção do cheiro, as vibrações moleculares também são fundamentais. A teoria do túnel quântico sugere que essas vibrações podem permitir que os sinais sejam transmitidos de uma molécula para outra através de receptores de cheiro. Compreender como o sentido do olfato funciona a nível molecular é um campo emocionante de pesquisa, e a mecânica quântica desempenha um papel fascinante nesse processo.

Referências

1. Turin, L. (1996) A Spectroscopic Mechanism for Primary Olfactory Reception. Chemical Senses, 21(6), 773–791. doi: 10.1093/chemse/21.6.773

2. Franco, M. I., Turin, L., Mershin, A., & Skoulakis, E. M. C. (2011). Molecular vibration-sensing component in human olfaction. PLoS ONE, 6(8), e27621. doi: 10.1371/journal.pone.0027621

3. Nitz, D. A, & Siegel, A. C. (2012). Olfactory Perception: Cracking the Sniffin' Code. Chemistry & Biology, 19(12), 1465-1466. doi: 10.1016/j.chembiol.2012.12.006