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氢分子量子隧穿效应假说!

氢分子在生物组织中具有极强的流动性,就像水中的氢原子一样。水中这快速原子运动是通过量子隧穿机制实现的。隧穿只能用量子物理来描述,这是一种控制微观世界的物理定律。虽然用通俗的语言来解释它并不容易,但我们所以这么做,是因为没有这个概念,无法弄清楚生物体中氢的各种独特特性。
 

一、什么是量子隧穿效应?
 

电子转移是实现氧化还原反应的本质,电子传递能利用量子隧穿效应实现,量子隧穿几乎和量子纠缠一样,是量子效应中最让人感到不可思议的特性。在量子力学里,量子隧穿效应(Quantum tunneling effect)指的是,像电子等微观粒子能穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒高度大于粒子总能量。经典力学里这不可能发生的,但量子力学理论却可以给出合理解释。有学者提出,氢气医学效应也可能存在量子隧穿效应。
 

在物质中某一特定位置驻留的原子,意味着该位置为原子提供了一个稳定环境,或者说为驻留原子提供了一个低能态环境。一个原子在物质中移动时,会从一个稳定的位置连续移动到另一个相邻位置,随着时间延长通过重复方式在移动很长距离。但是,原子从一个稳定位置(能量最小值)移动到另一个稳定位置,必须越过中间通道(能量势垒)。原子跳通常发生在有热能供应的环境中,被称为热激活过程,这种过程在高温条件下更普遍。这种情况类似于将一个盆地中积累水转移到邻近盆地;要把水带过山口,必需施加外部能量。然而,如果两个盆地由地下水管或隧道连接,那么水就会自己慢慢地流动,不需要任何额外的能量。类似现象发生在原子尺度的隧道过程,如图1所示。因为穿隧过程不需要热能,原子迁移速度与温度无关,迁移甚至可以在低温下发生。
 

氢分子量子隧穿效应假说!

图1 量子隧穿效应模式图。
 

在生物学领域也大量存在量子隧穿效应。其中最著名的就是在叶绿体内光合作用和线粒体内电子传递链。电子传递链一般是指电子在线粒体呼吸复合物之间的传递,这种电子传递能用经典的化学反应来解释,但是在复合物内的电子传递则存在无法用经典化学理论来解释的现象(图2)。电子传递时从不同氧化还原中心转移的过程,只在线粒体复合物I中,就存在9个氧化还原中心,一般都是铁硫簇为活性中心,电子在不同氧化还原中心的转移呈现出跳跃的特征,这种跳跃就是通过量子隧穿效应实现的。因为从这些活性中心之间的距离看,电子具备在不同中心之间的隧穿效应。这些氧化还原中心之间的空间分布距离不超过14埃,每个中心的电子亲和力比上一个更大一些,这种结构特征能让电子沿着一个固定的路径持续跳下去,就像人踩着均与分布的垫脚石过河。
 

氢分子量子隧穿效应假说!

图2 线粒体电子传递链
 

按照量子物理理论,颗粒发生量子隧穿必需具备两个条件:1)运动粒体必需非常小,2)能量障碍必需比较小或距离比较近。
 

一般量子隧穿经常发生在电子这种小质量颗粒。1990年代发现,氢原子也具备发生量子隧穿的条件。氢原子是体积最小的原子,质量是电子的1800倍。由于氢参与了生物体几乎所有生化反应,隧穿在生化反应中重要的作用是很有可能的,也早就被证实了。
 

二、氢原子量子隧穿。
 

液态水中的水分子持续滚动,如果精确记录水分子的状况会发现,水分子可通过氢键相互结合成团簇,氢原子会和邻近氢键链接的水分子共同移动。
 

氢分子量子隧穿效应假说!

图3 氢原子隧穿效应。
 

图3解释这样一个过程,当氢原子从左侧氧原子 (OA)移动到右侧氧原子(OB) ,或者从右侧水分子移动到左侧水分子。氢原子能量从 (a)到(b)然后到(c)。注意从OA到OB,氢原子位置变化非常小。氧原子和氢原子之间的氢键平均距离2.8埃,如果由于分子运动而使距离稍微缩短,会出现一个具有两个能量极小值的中间态,如图2 (b)所示。这样使两个极小值能垒变小变近,满足氢原子隧穿发生的条件。水中氢原子快速迁移是氢键与隧穿协同作用的结果。因为氢原子转移是许多生化反应的关键步骤,氢原子隧穿也是量子物理过程最受重视的现象。
 

三、氢分子也可能发生量子隧穿。
 

氢气在人体组织内扩散速度非常快,能自由穿越细胞膜到达细胞内各种细胞器。因为存在这一突出特征,氢气分子在生物系统内也可能会发生量子隧穿效应。
 

1)氢气分子体积小,能非常容易在狭窄的生物分子之间扩散。2)氢气分子比较惰性,不太容易和其他生物分子发生化学反应。3)氢气分子质量小,满足隧穿效应条件。
 

氢分子量子隧穿效应假说!

图4 氢原子和氢分子的电子轨道。氢分子和原子大小和结构都非常类似。
 

氢原子和氢分子的形状如图4所示。当分子写成H-H时,人们可能会认为它看起来像一个哑铃。实际上氢气分子几乎是球形的,两个电子围绕两个原子核(质子)旋转,两个原子核距离只有0.74 埃。氢分子形状类似于氢原子,氢原子只有一个电子绕着一个质子旋转。因为原子和分子的大小是由电子分布决定,氢分子和原子大小接近。与氢原子不同的是,氢分子非常稳定,不会与周围的物质相互作用,也不会形成氢键。这些特性有利于氢分子自由穿过生物聚合物。离子如H+和OH-在生物组织中运动都比较困难。因为它们是由含9个核外电子氧组成,体积太大,无法穿过生物材料网络,也因为它们质量太大,不允许发生隧道效应。
 

事实上,氢分子穿隧的可能性非常微妙。因为氢分子质量是氢原子的两倍,与氘原子的质量相同,所以氢分子隧穿现象可能相对出现较少。不过氢分子与周围物质的弱相互作用应该使运动能量势垒低于氢原子的情况。因此,氢分子隧穿运动仍然很有可能发生。
 

目前科技文献中很少没有关于生物材料中氢分子扩散速度的报道。氢分子可通过血液流动有效地运输,但要实现生理效应,氢气必须进入组织细胞内部。唯一相关报道是测量氢分子通过大鼠眼玻璃体平均时间在使用氢水后。该实验中,氢气分子穿过约5毫米玻璃体时间为5分钟,表明该生物材料的流动性与天然橡胶、聚乙烯等大分子类似。这个值也可与氢原子在水中的迁移率接近,是典型的通过隧道进行原子迁移。因此,很可能是氢分子通过隧道穿过玻璃体。
 

氘分子的形状几乎与氢分子相同,质量是氢分子的两倍,是氢原子的四倍。因此,氘气分子的隧穿作用被认为是相当有限。因此,氘气体和氘水预期不会具有类似于氢水的健康益处。如果是这样,将来可以使用氘气吸入或含氘气水和氢气进行对比实验。
 

氢气医学效应存在比较诡异的特征。首先,氢气对正常生理状态比较忽视,似乎没有生理性效应,只对存在损伤和疾病状态有作用,且病情越严重效果越好。其次,氢气的剂量小效应比较强。最后是氢气效应非常广泛。这些特征可能是因为氢气存在我们不掌握的效应基础。量子隧穿效应给我们提供了一个比较合理的解释。氢气的还原性基础给效应提供了功能条件,氢气的体积小扩散能力强提供了具有隧穿效应的结构条件。这方面的研究值得我们重视。
 

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