코는 양자 물리학을 사용하여 모양 이론으로 알려진 다양한 냄새를 식별합니다. 양자 터널링 분광법을 사용한 진동 이론.
호감의 쾰른 냄새가 나거나 전날 씻는 것을 잊어 버렸을 때, 실제로 코 안에서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 궁금하십니까? 이 냄새의 차이를 어떻게 알 수 있습니까? 그리고 우리는 얼마나 많은 냄새를 구별 할 수 있습니까?
얼마나 많은지에 대한 답은 쉽지만 압도적 인 대답 - 1 조입니다! 우리 인간은 1 조 을 감지하고 구별 할 수 있습니다 다른 향기!
이제 설명하기가 조금 더 어려운 '방법'부분을 알아 봅시다. 이 과정을 이해하려면 바닐라 라떼에서 나오는 특정 분자를 따를 것입니다.
증기 컵을 받 자마자 바닐라 라떼 냄새를 바닐라 냄새로 만드는 바닐린 분자는 공기 분자와 혼합되기 시작합니다. 라떼의 행복한 휘핑을 할 때,이 분자들은 코에 들어가서 콧 구멍을 향해 비강으로 들어갑니다.
비강에서, 바닐린 분자는 후각 상피라고 불리는이 공간의 상단에 우표 크기의 우표에 도달합니다. 이 영역은 후각 수용체를 함유하는 뉴런 묶음으로 구성됩니다. 수용체는 바닐린과 결합하고 뇌에 신호를 보내는 다음 분자가 바닐라에서 비롯된 바닐린이며 쾌적한 냄새가된다고 해석합니다.
다양한 냄새를 감지하는 우리의 능력은 이들 후각 수용체와 냄새 사이의 상호 작용의 복잡성에있다.
"작동"코에서 수용체를 관찰하는 것은 불가능하기 때문에 간접적 인 증거에서 어떻게 작용하는지 추론해야합니다.
그러니 몇 가지 이론으로 내려 갑시다!
모양 모델/잠금 및 키 모델
이 모델은 다른 모양을 가진 냄새 분자가 키가 잠금에 맞는 방법과 유사하게 호환 된 후각 수용체에 적합하다고 주장합니다. 따라서, 상이한 모양과 크기의 냄새가 다른 분자는 상이한 수용체에 적합하다.
분자가 수용체에 잠그면, 수용체는 뇌에 신호를 보내므로 우리는 그 분자 냄새가납니다. 이것은 우리가 감지하는 모든 냄새에 대해 하나의 수용체가 있다는 것을 의미해야합니다.
그러나, 우리는 약 300 가지 종류의 수용체 만 가지고 있습니다. 마치 300 개의 자물쇠가 있지만 수천 개의 키가 어떻게 든 최소한 하나의 잠금을 열어줍니다.
이것은 약한 모양 모델을 발생시킵니다. (사진 크레딧 :Gritsalak Karalak/ Shutterstock)
이 이론은 각각의 수용체가 전체 분자가 아닌 분자의 한 부분에 불과하도록 만들어 졌음을 시사한다. 우리는 유사한 화학 구조 (유사한 분자 그룹)를 갖는 분자가 유사한 수용체에 결합하여 잠금 장치에 맞는 키만이 열 수 있기 때문에 냄새가 나기 때문에 냄새가납니다. 예를 들어, 황 하이드로겐 결합이있는 분자는 썩은 알처럼 냄새가납니다.
이 이론은 관찰에 잘 맞지만 설명 할 수없는 예외가 있습니다. 동일한 그룹으로 만들어 지지만 다르게 배열 된 특정 분자는 매우 다른 냄새가납니다. 예를 들어, 바닐린 (우리의 라떼 출신)은 바닐라 냄새가 난 반면, Isovanillin은 불쾌한 약용 냄새가납니다.
진동 이론
이 대안 모델은 후각 수용체가 냄새가 어떻게 진동하는지에 따라 냄새가 냄새가 나는 방법을 감지한다고 말합니다. 각 화학 결합은 자연적으로 진동하는 특정 공진 주파수를 가지고 있습니다. 이것은 각 기타 줄이 특정 주파수에서 진동하는 방식과 유사하므로 다른 사운드를 생성합니다. 다른 분자는 어떤 원자로 만들어지고 어떻게 연결되는지에 따라 고유 한 진동 주파수 세트를 갖습니다. 이 특성은 과거에 과학자들이 분광기라고 불리는 관행 인 빛을 사용하여 분자의 화학적 구성을 이해하기 위해 사용되었습니다.
분광법이란 무엇입니까?
당신은 빛이 전자기파이며, 우리가 보는 가시 광선은 전체 전자기 스펙트럼의 일부라고 들었습니다.
(사진 크레디트 :Vectormine/Shutterstock)
분광법은 물질이 구성되는 원자 또는 분자를 식별 할 수있는 과정입니다. 기본 분광법은 물질을 통해 백색광을 비추는 것으로 이루어집니다. 물질의 원자는 흥분되어 진동 상태라고 불리는 더 높은 에너지 수준으로 이동합니다. 어떤 관점에서도 Kleptomaniacal 원자를 살펴 보겠습니다.
원자가 자신을 위해 유지하기 위해 약간의 가벼운 에너지를 훔쳤다고 상상해보십시오. 그는 광선이 일부를 훔친 후 광선이 작아 졌다는 것을 알았지 만주의를 기울이지 않았습니다. 갑자기, 그는 에너지를 잃기 시작했고, 전혀 시간이 지남에 따라 원자 부는 Dave를 확인하고 체포했습니다.
그래서 Dave는 어떻게 잡혔습니까? 원자가 그 위에 던져진 백색광을 흡수 할 때, 원자 또는 분자는 특정 양의 에너지를 흡수하고 어떤 원자 또는 분자에 따라 특정 진동 주파수에서 진동합니다. 각 요소 또는 화합물은 고유 한 진동 주파수를 가지므로 물질의 조성을 쉽게 결정할 수 있습니다.
아마도 냄새 수용체가 이와 같은 일을하고있을 것입니다. 그러나 수년 동안 방사선을 방출하지 않기 때문에 코가 분광법을 수행 할 수있는 방법이 없기 때문에 진동 이론이 폐기되었습니다.
양자 역학의 주요 개념 중 하나는 모든 물질이 파도와 입자로 동작한다는 것입니다. 이 이중 자연은 많은 야생 현상을 낳으며 그 중 하나는 전자 분광법입니다. 전자 분광법은 전자를 사용하여 빛 대신 진동 주파수를 감지합니다.
전자 터널링 분광학 이론
양자 터널링이란 무엇입니까?
양자 터널링은 전자와 같은 양자 입자가 정상적인 고전 입자가 할 수없는 곳으로 이동할 수있는 현상입니다. 우리는 공을 계곡에 떨어 뜨리면 고전적으로 공이 계곡에 남아있을 것임을 알고 있습니다. 산의 먼쪽에 굴러내는 멋진 긴 경사가 있더라도 공은 거기에 도착할 수 없습니다. 공은 충분한 에너지가 주어지면 산의 다른 쪽에만 도달 할 수 있습니다. 다시 말해, 산을 먼저 등반해야합니다.
그러나, 양자 역학의 확률 론적 세계에서는 공이 계곡에 남아있을 가능성이 있지만 계곡을 통과하여 반대편의 낮은 에너지 상태로 바로 지나갈 수 있습니다.
(사진 크레디트 :Vectormine/Shutterstock)
간단히 말해서, 이것은 양자 입자가 벽을 통과 할 수 있음을 의미합니다!
분광법에서 양자 터널링을 사용하는 방법
분자의 공진 주파수는 전자 터널링을 사용하여 발견 될 수 있습니다. 예를 들어, 우리가 두 개의 금속 막대를 가져 와서 작은 장벽으로 분리 한 다음 전압을 바르기 위해 전자를 한쪽으로 밀어 넣습니다.
.일반적으로 고전 물리학에서 전자는이 장벽을 통과 할 수 없지만 막대 사이의 간격이 매우 작 으면 (몇 나노 미터의 순서로) 다른쪽에 터널을 정량화 할 수 있습니다.
그러나 추가 조건이 있습니다. 금속 막대의 전자는 특정 에너지를 가지며 다른 에너지로 다른쪽에 빈 구멍이있는 경우 다른쪽으로 만 터널을 조정할 수 있습니다. 전자보다 에너지가 낮은 상대방에 구멍이있는 경우, 여분의 에너지가 갈 곳이 없기 때문에 전자는 터널을 터널 할 수 없습니다.
우리가 분자를 간격에 도입하면 매우 흥미로운 일이 발생합니다. 전자와 구멍 사이의 에너지 차이가 분자의 공명 중 하나를 진동하는 데 필요한 에너지와 동일하다면 전자는 터널을 가로 질러 터널을 가로 질러 전자가 터널을 통과 할 때 분자를 진동시킵니다.
구멍의 에너지를 연속적으로 변화시키고 전자 터널이 측정되면 분자의 공명 주파수를 결정할 수 있습니다. 분광학에서 사실과 마찬가지로 분자의 동일성을 결정할 수 있습니다. 이 과정을 전자 터널링 분광학이라고합니다.
이 이론은 우리 코가 똑같은 일을하고 있음을 시사합니다!
우리의 냄새 수용체는 금속 막대와 갭처럼 행동하고 있으며, 단순히 냄새 분자가 들어 오기를 기다리고있어 전자가 수용체를 가로 질러 터널을 터널로 연결하고 그 에너지에 해당하는 특정 신경을 트리거합니다.
이 이론은 본질적으로 분자의 냄새가 진동 주파수에 의존한다고 말하므로 분자의 주파수를 바꿀 수 있다면 냄새도 바꿀 수 있습니다. 이 아이디어를 뒷받침하는 증거를 얻기 위해 과학자들은 분자를 가져 와서 모든 수소 원자를 중수소 원자로 대체했습니다. 한 양성자 대신 핵에 하나의 양성자와 하나의 중성자가있는 더 무거운 형태의 수소가 있습니다. 그것은 수소와 동일한 특성을 가지고 있으며, 더 무겁다는 점을 제외하고는 다른 진동 주파수를 제공합니다. 그들은 다양한 종과 인간에 대해 시험했을 때, 두 분자는 실제로 다른 냄새가 나왔다고 결론 지었다.
이 모델만큼 성공적으로 모든 것을 설명 할 수는 없습니다. 키랄 분자는 모든 동일한 원자로 만들어진 분자이지만 서로의 거울 이미지로 배열됩니다. 예를 들어, C10H14O 포뮬러를 갖는 유기 분자 인 Carvone은 왼쪽과 오른쪽 형태를 갖는다.
오른 손잡이와 왼손잡이 분자는 동일한 원자와 결합으로 만들어 지므로 동일한 진동 주파수를 갖습니다. 따라서 그들은 똑같이 냄새를 맡아야하지만 그렇지 않습니다. 한 형태는 스피어민 냄새가 난 반면 다른 형태는 캐러 웨이 씨앗과 같은 냄새가납니다!
결론
현재, 우리는 다양한 냄새를 식별하는 방법을 설명하기 위해 형상 모델과 터널 바이브러스 모델이 모두 필요합니다. 아마도 우리의 수용체는 먼저 의심스러운 모양 모델을 사용하여 분자의 모양을 확인한 다음, 모양이 맞으면 수용체는 양자 터널링을 사용하여 진동 주파수를 점검합니다.
우리는 수용체를 관찰하는 방법을 알아낼 때까지 확실하게 알지 못할 것입니다. 그럼에도 불구하고, 양자 역학이 우리 몸의 일상적인 기능에 어떻게 역할을하는지 보는 것은 흥미 롭습니다. 꽃을 냄새 맡는 것만 큼 단순한 것이 양자 역학과 관련이 있다는 사실에 머리를 감싸기가 어려울 수 있지만 강한 확률이 있습니다 그것은!
