为什么我们屏住呼吸的时候不会窒息？

为什么我们屏住呼吸时不会窒息？一群来自不同国家的科学家用量子力学解开了这个谜。

呼吸没那么简单。

量子力学对于解释微观现象非常有用，比如电子的行为。然而，近年来，理论家们向我们展示了越来越多的量子力学在生活的各个方面，宏观和微观的应用。

伦敦国王学院的塞德里克·韦伯领导的这项新研究再次证实了量子力学在生活中的应用。

研究小组的大卫·奥瑞根说:“这项研究有助于解释量子力学效应有时可能很奇怪，或者只与某些极端条件有关，但事实上，它也在日常生活中发挥作用，如生物学、化学、材料科学和其他学科。”

韦伯团队解释的这个难题与人体内一氧化碳和血红蛋白之间的反应有关，人体内的血红蛋白负责输送氧气。

血红蛋白含有铁原子，可以通过血管将氧分子输送到人体需要氧的各个部位。根据传统理论，在体内和体外，血红蛋白应该比氧分子更经常地与一氧化碳分析结合。

如果发生这种情况，就会发生窒息，杀死人和动物。

人体内自然产生的少量一氧化碳不足以完全替代氧气，尽管它具有更强的结合血红蛋白的能力。但是我们应该很容易被大气中的一氧化碳中毒。然而，一氧化碳中毒在生活中是罕见的。这一事实意味着氧与血红蛋白有效结合的能力比理论预测的更强。

“所以科学家面临的问题是解释血红蛋白如何比一氧化碳更有效地结合到氧气中，”耶鲁大学化学家丹尼尔·科尔说，他领导了这项研究项目。

为了解决这个问题，研究小组利用基于量子力学的计算机模拟技术，模拟了氧气与一氧化碳和肌红蛋白之间的反应，肌红蛋白是肌肉组织中负责运输氧气的主要蛋白质。

这种模拟技术被称为密度泛函理论(DFT)，它的发明者获得了1998年诺贝尔化学奖。此后，它成为理论化学和理论物理研究的重要工具。

“密度泛函理论是模拟材料和分子电子特性的标准工具，”奥勒甘说。

研究小组使用这种技术来研究铁原子和肌红蛋白中的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上时，这些分子就能附着在肌红蛋白上。

不幸的是，传统理论早就预测一氧化碳和肌红蛋白应该比氧气更容易结合。

“我们之前的密度泛函计算表明，大约一半的电子转移到了氧分子中，”科尔说。“虽然结果稳定，但仍然不够。计算预测一氧化碳结合肌红蛋白的能力应该比氧气强得多。

经过思考，研究小组决定采用两种新方法来解决这个问题。

因为肌红蛋白分子包含超过1000个原子，科学家们采用了一种特殊的DFT变体。奥瑞根说，这种变体“可以用于处理更大的系统，而不会影响模拟的准确性。”

他们还应用了另一种扩展形式的密度泛函理论，称为动态平均场理论(DMFT)。

“对于DMFT，我们实际上证明了一个电子被转移到一个氧分子上，”科尔解释道。“这提供了比以前认为的更大的静电稳定性。这意味着我们目前对氧和一氧化碳与血红蛋白相对结合能力的估计与实验非常一致。”

这一分析揭示了一种称为量子纠缠的效应在氧分子与血红蛋白的结合中起着重要作用。纠缠是量子力学中最典型的特征。电子对被纠缠紧紧地束缚在一起，不再能独立行动。这一过程还涉及到量子力学的另一个特征Hund交换，这一点在以前的模拟分析中被忽略了。

“这些效应加强了铁和氧之间的直接结合，以及氧和血红蛋白之间的静电相互作用，”科尔解释道。

奥瑞根说，这项研究的最终结论是，“在谁更容易将血红蛋白与氧气和一氧化碳结合的问题上，我们可以大大提高理论和实验的一致性。”。

除了了解呼吸的分子基础，这项研究还可以应用到其他方面。科尔说，更好地理解分子如何结合含铁蛋白质可能有助于药物开发，也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。

下次屏住呼吸时，想想科学家的研究。

(原文转载自insidescience.org，原作者彼得·格温，蝌蚪君编译。请注明转载来源。)