为什么我们屏住呼吸的时候不会窒息？
高大上的来了！科学家从量子力学的角度解释了为什么屏息不会造成窒息。
为什么我们屏住呼吸的时候不会窒息呢？来自不同国家的一组科学家用量子力学解开了这个迷。
量子力学对于解释电子的行为等微观现象非常有用。但是最近几年，理论家越来越多地向我们展示了量子力学在生活、宏观和微观的各个方面的应用。
这项新的研究是伦敦国王学院的Cédric Weber领导的，再次证实了量子力学在生活中的应用。
研究团队的David O'Regan说，“这项研究有助于说明一个事实，量子力学效应有时可能让人觉得很奇怪，或者只与某些极端的条件有关，但是实际上，它和生物、化学、材料科学等学科一样，在每天的生活中也发挥着作用。”
Weber的团队解释的谜题，与一氧化碳与人体中负责运送氧的血红蛋白之间的反应有关。
血红蛋白中含有铁原子，能够通过血管将氧分子运送到人体中需要氧的各个部位。根据传统的理论，无论在体内还是体外，血红蛋白应该更经常与一氧化碳分析结合，而不是氧分子。
如果发生了这样的情况，就会发生窒息，使人和动物死亡。
人体内自然产生的少量一氧化碳不足以完全取代氧，即使它与血红蛋白结合的能力更强。但是我们本应该很容易因大气中的一氧化碳而中毒。但是在生活中，发生一氧化碳中毒的情况是很少见的，这个事实意味着，氧气与血红蛋白有效结合的能力比理论预测的要强。
“所以科学家面临的问题就是，要解释血红蛋白怎样做到更有效地与氧结合，而不是与一氧化碳结合的，”领导这个研究项目的耶鲁大学化学家Daniel Cole说。
为了解决这个问题，研究团队用基于量子力学的计算机模拟技术模拟了氧和一氧化碳与肌血球素（肌肉组织中负责运送氧的主要蛋白质）之间的反应。
这种模拟技术叫做密度泛函理论（DFT），为它的发明者赢得了1998年的诺贝尔化学奖，从那时起就成为理论化学和理论物理研究的重要工具。
“DFT是模拟材料和分子的电子特性的标准工具，”O’Regan说。
研究团队用这项技术研究了肌血球素内部的铁原子与氧分子或一氧化碳分子之间的反应。当铁原子将负电荷转移到氧分子或一氧化碳分子时，这个分子就可以将自己附着在肌血球素蛋白质上。
不幸的是，传统理论一直预测一氧化碳与肌血球素结合应该比氧容易得多。
“我们以前的DFT计算显示，大约有一半电子转移到了氧分子上，”Cole说。“虽然这个结果很稳定，但是仍然不够；计算预测，一氧化碳与肌血球素结合的能力应该比氧强得多得多。”
经过反思，研究团队决定采用两种新的方法来解决这个问题。
因为肌血球素分子含有1000个以上的原子，科学家采用了DFT的一个特殊变体。O’Regan说，这个变体“可以用来处理较大的系统，而不会损害模拟的精确性”。
他们还应用了DFT的另一种扩展形式，叫做动力平均场理论（DMFT）。
“利用DMFT，我们实际上显示的类似于一个电子被转移到氧分子，”Cole解释说。“这样提供的静电稳定性比以前所认为的大得多。这意味着，我们现在对于氧和一氧化碳与血红蛋白结合的相对能力的估计，与实验非常一致。”
这个分析揭示出，一种叫做量子纠缠的效应在氧分子与血红蛋白结合的过程中发挥着重要的作用。纠缠是量子力学中最典型的特性，电子对通过纠缠的方式紧密地结合在一起，再也无法独立行动。这个过程还涉及到Hund交换，这是量子力学中的另一大特性，是被以前的模拟分析所忽略的。
“这些效应强化了铁和氧之间的直接结合，也强化了氧与血红蛋白之间的静电互动，”Cole解释说。
研究的最终结论是，“在氧与一氧化碳谁更容易与血红蛋白结合这个问题上，我们可以大大改进理论与实验之间的一致性，”O'Regan说。
除了理解呼吸的分子基础以外，这项研究还可以应用于其他方面。Cole说，更好地了解分子是如何与含铁的蛋白质结合的，可能有助于药物开发，还可能有助于开发用于获取和储存太阳能的人工光合作用设备。
（作者：Peter Gwynne；via insidescience）
- 发表于 2014-09-25 00:00
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