為什麼我們呼吸不會窒息？藉由量子力學來回答你

為什麼我們呼吸不會窒息？藉由量子力學來回答你
高瞻計畫特約編譯張涵茜/國立臺灣大學物理學系王名儒教授責任編輯

編譯來源：洞見科學(Inside Science)/How Quantum Mechanics Helps Us Breathe

(圖片來源：Mats Eriksson@flickr)

人體運輸氧氣的的方式是藉由特種蛋白質中的鐵原子和氧結合，經由血液運送到身體的各個部位。過去的理論都認為，我們身體裡的特種蛋白質跟一氧化碳的結合活性較氧氣強，這就引出了為何人類或動物不會因呼吸而漸漸窒息的疑問？

雖然人體在自然運作的過程中產生一氧化碳的量極少，不會導致特種蛋白質攜氧量的大幅降低；但由於我們在大氣中會不斷吸入一氧化碳，遲早都會讓大部分的特種蛋白質因與一氧化碳結合而無法攜氧，造成所謂的一氧化碳中毒而達到窒息的狀況。事實證明，我們存在大氣中都安然無恙，這表示其實氧氣跟特種蛋白質的結合活性比理論所推測的要強得多。

英國倫敦國王學院的賽德里克‧韋伯所領導的新研究，運用量子力學來解釋這一現象，其成果最近刊登在「美國國家科學院院刊」上。一直以來，大家對量子力學的觀感是用來研究小到不能再小的物質，似乎無從解釋我們生活中的一般現象，所以量子力學像是遙遠又艱深的科學。但近年來，科學家們已經慢慢地將此理論運用在我們生活中的大小事。

愛爾蘭都柏林三一學院的物理學家同時也是這個研究團隊組員的大衛‧歐瑞根說：「這項工作有助於展現量子力學的效應不是只與極端的狀況有關，事實上它在每日生活裡的生物、化學和物質科學等各領域都扮演重要角色。」

這個團隊利用電腦模擬技術來模擬量子力學運作下的氧、一氧化碳和肌紅蛋白之間的反應，其中肌紅蛋白是肌肉組織中運送氧氣的主要蛋白質。這項技術稱為「密度乏函理論」(Density-functional theory)，簡稱「DFT」，理論的創始人，華特‧柯恩在1998年獲得諾貝爾化學獎。這個理論從那時候起就成為理論化學跟理論物理所仰賴的屏障，且多年來都是模擬物質、分子之電子特性的標準工具。

研究團隊應用這個技術來研究肌紅蛋白中的鐵原子和氧分子或一氧化碳分子之間的反應，這之中包括靜電學，就是原子跟分子的電子電荷分布。當鐵原子轉移負電子荷到氧分子或一氧化碳分子時，分子就會依附到整個肌紅蛋白。不如預期的是，這個理論持續引導出一氧化碳比氧更容易跟肌紅蛋白結合的結果。這項研究的成員丹尼爾‧柯爾表示：「我們之前做的密度乏函理論的計算顯示，大約有半個電子轉移到氧分子，雖然這樣會提供一些穩定性，但依然不夠；這項計算預期一氧化碳分子的結合度要比氧分子強的多。」

為了改進理論的計算，研究團隊採用了兩項全新作法。因為肌紅蛋白分子含有1,000原子，所以科學家用了特別的DFT，這項設計是可以用來計算龐大的數字，無須犧牲任何準確度。他們同時也應用了DFT的延伸，叫做「動態平均場理論」(Dynamical mean-field theory)，簡稱「DMFT」。運用DMFT的結果顯示，有近乎一個的電子轉移到氧原子，提供了更強的靜電穩定度。新計算結果完全符合實驗上肌紅蛋白與氧跟一氧化碳結合度相對的差異。

新計算方法顯示氧分子和蛋白質的結合，量子糾纏的現象扮演極重要的角色。量子糾纏是量子力學典型的特徵，強力的連結雙雙對對的電子，讓它們不再獨立無關。這個過程也牽扯到罕德交換，另一個量子力學的重要性質，但卻在模擬初期時被忽略了。這些作用強化了鐵跟氧直接的結合，也增加了氧和蛋白質的靜電作用。

這項研究不只是讓人了解以分子為理論基礎的呼吸作用，另外還有重要的推廣應用。當我們知悉分子如何和含鐵的蛋白質結合的機制，這可以幫助藥物的研發；此外也可能用以發展出人工光合作用的裝置，在未來用來吸收和儲藏太陽的能量。