Как работает обоняние? Связь с квантовой механикой

Как работает обоняние? Связь с квантовой механикой

Содержание:

1. Введение
2. Как работает наш обоняние?
   • 2.1 Воздушные молекулы и нюх
   • 2.2 Обонятельный эпителий
   • 2.3 Запах и мозг
3. Форма молекул и запах
   • 3.1 Объяснение 1950-х годов
   • 3.2 Молекулы с разными формами и одним запахом
   • 3.3 Вибрации молекул и восприятие запаха
4. Вибрации молекул и квантовая механика
   • 4.1 Электроны как волны вероятностей
   • 4.2 Квантовое туннелирование
   • 4.3 Как нос может распознавать вибрации молекул
5. Эволюция нашего обоняния
6. Заключение

👃 Как работает наше обоняние?

Окунитесь в воображение и представьте себя прогуливающимся в своем любимом парке. Можете почувствовать утреннюю росу, уникальный аромат растений, почвы и далеких цветов. Если задуматься, наш обоняние способно различить до одного триллиона различных запахов. Но как именно работает наше обоняние и какое отношение к этому имеет квантовая механика?

2.1 Воздушные молекулы и нюх

Для того чтобы что-либо почувствовать запах, молекулы от этого предмета должны попасть в ваш нос. Все, что мы чувствуем, находится в какой-то степени летучим, то есть молекулы источника воспаряют в воздух и попадают в наш нос. Неважно, это утренние цветы, ваше утреннее кофе, бекон или неприятный запах от собачьего помета - молекулы из источника парят в воздухе и попадают в ваш нос. Но каким образом эти молекулы вызывают ощущение запаха?

2.2 Обонятельный эпителий

В задней части носовых ходов находится особый участок нейронов, называемый обонятельным эпителием. Он имеет специальные выступы, называемые цилиями, которые увеличивают его поверхность. Любая молекула с ароматом связывается с особыми рецепторами на этих цилиях и вызывает сигнал, который передается в мозг.

2.3 Запах и мозг

Этот сигнал достигает древней части мозга, называемой лимбической системой, которая связана с эмоциями и памятью. Вот почему запахи могут вызывать сильные воспоминания и эмоциональные реакции. Уникальность этих нейронов заключается в том, что они напрямую идут от вашего мозга и находятся в открытом доступе для контакта с окружающей средой. Таким образом, это единственное место на теле, где ваша центральная нервная система напрямую подвержена воздействию окружающей среды.

🌬 Форма молекул и запах

Долгое время считалось, что форма молекул является определяющим фактором для запаха. Согласно принятому объяснению, рецепторы в концах обонятельных нейронов могут принимать только определенную форму молекул, и именно сочетание этих форм определяет тип запаха. Это, можно сказать, как замок и ключ: ключ - это форма молекул с запахом, а фермуар - обонятельные рецепторы. Одно сочетание может вызвать запах розы, другое сочетание - запах гнилых яиц, и так далее.

Но потом исследователи обнаружили, что молекулы разной формы могут обладать одним и тем же запахом. Например, цианид и бензальдегид имеют одинаковый запах горьких миндальных орехов, но существенно различаются по форме. Это подтолкнуло ученых к выводу, что форма молекул не является единственным фактором, определяющим запах.

3.3 Вибрации молекул и восприятие запаха

Оказалось, что помимо формы, вибрации молекул также играют роль в восприятии запаха. Все молекулы вибрируют с определенной частотой и ритмом, которые зависят от их структуры, связей и массы. Это аналогично звукам, издаваемым различными инструментами благодаря их форме. Лука Турин, биофизик из Александрийского исследовательского центра Флеминга в Греции, провел эксперименты, используя запах серных соединений. Он обнаружил молекулы, у которых есть одна и та же вибрационная частота, как и у серы, но при этом у них совершенно разные молекулярные формы. Оказалось, что эти соединения с одинаковыми вибрационными частотами действительно пахнут серой, несмотря на различную форму молекулы.

Мнение Луки Турина не принимается всеми исследователями обоняния, но если он прав, то каким образом наш нос может распознавать вибрации молекул с помощью квантовой механики?

💫 Вибрации молекул и квантовая механика

4.1 Электроны как волны вероятностей

В квантовой механике так называемые частицы, например, электроны, на самом деле являются волнами вероятностей до тех пор, пока их не измерят. Вероятностная волна такова, что когда частица сталкивается с преградой, вероятностная волна не прекращается на преграде, а продолжает проходить через нее на небольшое расстояние. Таким образом, существует ненулевая вероятность того, что электрон пройдет сквозь преграду и появится с другой стороны. Это явление называется квантовым туннелированием. В классической физике такое явление запрещено, но оно наблюдается в природе благодаря законам квантовой механики.

4.2 Квантовое туннелирование

Теоретически предполагается, что колебания определенных молекул могут позволять электронам из некоторых обонятельных рецепторов туннелировать к другим рецепторам и вызывать сигналы в нейронах, а затем передаваться мозгу. Различные молекулы с разными вибрациями могут вызывать разные скорости туннелирования. Когда молекула имеет частоту, соответствующую энергии рецептора, квантовое туннелирование открывает ворота для того, чтобы электрон прошел через рецептор более предпочтительно, чем при отсутствии молекулы и ее вибрации. Таким образом, можно сказать, что наш нос распознает не только форму, но и вибрации молекул, используя сложную физику квантовой механики.

4.3 Как нос мог развить такой сложный механизм обоняния?

Турин предлагает интересное объяснение - четыре миллиарда лет исследований и разработок при неограниченном финансировании. Это действительно долгий срок, и эволюция - процесс, который, вероятно, нами серьезно недооценен. На протяжении всех этих миллиардов лет нос был постоянно совершенствуем и модифицируем, чтобы эффективно обнаруживать и распознавать ароматы в окружающей нас среде.

🌹 Заключение

Как работает наше обоняние? Хотя и форма молекул важна, оказывается, что вибрации молекул также имеют решающее значение. Квантовая механика, с ее вероятностными волнами и квантовым туннелированием, позволяет нашему носу распознавать вибрации молекул и переводить их в сигналы для нашего мозга. Эта сложная физика, сочетающаяся с эволюционными изменениями, привела к развитию удивительного чувства обоняния, позволяющего нам наслаждаться ароматами нашего мира.