质子射频场照射对碳—13自旋晶格弛豫的影响
為什麼我們呼吸不會窒息？藉由量子力學來回答你
編譯來源：洞見科學(Inside Science)/How Quantum Mechanics Helps Us Breathe
(圖片來源：Mats Eriksson@flickr)
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。
磁共振成像：一场无心插柳的杰作Comments>>
现在不少医院都配备有磁共振成像仪，就是那种形状像个大圆筒的白色仪器，人往上一躺，送到圆筒中，过几分钟就能得到身体相应部位的三维结构图。过去人们耳熟能详的给身体“照相”的技术是X光片或者CT，这两者都借助X光的成像原理，具有放射性。而磁共振只是给人体加上磁场，无伤害性地就看见了人体内部的结构。要说起来，这确实是门挺“神”的技术。X射线能穿透物体，所以能照见“内部的东西”，这不难理解，伦琴发现X射线之后马上给妻子的手拍了张“骨感”相片。而磁共振所涉及到的科学原理在上世纪初成为研究热点的时候，人们根本想都没往医学成像上想，它们是纯粹的量子力学研究，目的是推动物理学的发展。谁也没料到，这些知识在世纪末为医学和心理学带来了一项划时代的技术。
量子力学研究的是微观粒子中的物理学，用不专业的词儿来说，就是研究中子啊、质子啊、电子啊这些小到快没有了的玩意儿是怎么运动和相互作用的。物理学家发现，这些微观粒子都具有一种叫做“自旋”的性质，就好像它们永远在绕着自身旋转，像地球自转一样。其中质子是带正电荷的，而带电物体转动时会产生磁场。这个自旋产生的磁场在遇到别的磁场时就会发生力的作用，作用力会导致自旋所围绕的那根轴也开始转动起来。
这个过程可以和我们玩陀螺时遇到的现象进行类比：当鞭子把陀螺抽起来的时候，陀螺是笔直旋转的，中间那根轴固定在竖直方向上。这时如果轻轻推一下那根轴，陀螺不会马上倒下，而是继续旋转，并且中间那根轴也跟着转起来。自旋的质子遇到磁场，就像陀螺被推了一下，不同之处在于陀螺最终会倒下，而只要质子周围的磁场保持不变，质子的“轴”就会围绕着磁场的方向一直旋转下去。这个现象在量子物理中有个专门的名词，叫做“拉莫尔进动”。
上世纪三十年代末，物理学家们想研究质子的拉莫尔进动都有些什么规律。他们把一些质子放进一个均匀的磁场当中，不出所料观察到了进动的产生。然后他们又对着容器发射电磁波，结果电磁波的能量被吸收了；过了一会儿，这个能量又从容器中被释放了出来。他们最后证明电磁波的能量是被进动着的质子给吸收了。根据量子物理的理论，质子吸收能量之后会发生跃迁，也就是从一种进动状态变成另一种进动状态。但是高能的状态不稳定，质子过了一段时间又会把能量释放出来，变回原来的状态，因此就出现了上述观测到的现象。
怎么样，到此为止，全是纯粹的物理学，你看出一点儿可以用来给人体照相的端倪来了吗？似乎还没有。可缺少的只是关键的一句话：氢原子核就是一个质子，水分子中有两个氢原子，而人体中不均匀地分布着很多很多水分子。这句话说明，人体中有大量质子以不均匀的密度分布着。那么，把人推入一个大磁场，人体中的氢原子核们——也就是质子们——就集体发生拉莫尔进动。这时向各个部位发射电磁波，由于质子的密度不同，它们吸收然后放出能量的时间间隔也就不同。如果我们把发射电磁波的目标部位看作一个个像素点，用上述时间间隔的长短来作为像素的深浅程度，就得到了一幅“质子密度图”。正如黑白照片靠像素的深浅显现出风景，“质子密度图”就靠质子密度的高低显现出人体内的结构。
也许你得花点时间仔细琢磨琢磨这其中的逻辑，量子力学就是以这么“诡异”的方式为我们贡献了当代医学影像的前沿技术。
但诡异的故事还没完呢。磁共振成像照出的只是人体结构，你也许还听说过一个词叫“功能性磁共振成像”，后者可以读出人脑的活动。说得玄乎点，它能帮助我们窥探意识的奥秘。它在磁共振成像的基础上向前又迈了一步，但这一步所借助的知识，其风马牛不相及的程度比之量子力学有增无减。
这次无心插柳的是研究血液循环的生理学家。在上世纪五十年代之前，有个问题人们一直没有搞明白：人吸进鼻子的氧气去了哪里？氧气并不是在肺里兜一圈就都呼出来，没出来的那部分从肺泡进入了血管里。血管是人体里密密麻麻的枝杈，新鲜养分顺着这些枝杈被送到各个组织，氧气就是养分之一。可氧气是怎么送过去的呢？血管可不是个空管子，里面填满了红红的液体。“氧气溶解在血液里”，有人说。唔，不对。只有很少很少的氧气能溶在血液里，大部分是靠红血球送过去的。红血球是什么？就是让血液呈现红色的那个东西。把一滴血放到显微镜下，你会看见无数小圆饼，它们在灯光下微微透明，边缘有一圈淡淡的红光。“像两面凹的烧饼”，教科书上说。那这烧饼为什么能抓住氧气？关键的地方来了：因为烧饼里面的“馅儿”，就是泛出红光的那些东西。
“馅儿”的学名叫血红蛋白，是一种结构很复杂的大分子，人们直到上世纪中期才弄明白它的结构。如果要粗略地描述一下它长什么样儿，可以先想象很多氢原子和碳原子串在一起组成一条长链，然后把长链紧紧地缠起来变成线团，四个这样的线团粘在一起就成了血红蛋白的大模样。最后在每个线团的中央放上一颗二价铁离子，就可以吸引氧气过来结合了。氧气“落入”线团之后，二价铁离子会被氧化成三价，三价铁离子看上去是红色的。这就是为啥动脉血是鲜红色而静脉血是暗红色的，因为动脉血携带的氧气多。
好了，至此我们才略为完整地回答了最初的问题：人吸进鼻子的氧气去了哪里？氧气进到肺里，穿过肺泡里的血管壁进到血液里，再穿过红血球表面进到血红蛋白上有铁离子的位置固定下来。红血球随着血液流向各个身体器官，氧气在各个毛细血管的末梢处脱离血红蛋白，重新被释放出来，最终进到各个器官里。
好了，到目前为止，全是纯粹的生理学和分子生物学，这和大脑的活动有啥关系呢？请君耐心再读下去，现代交叉学科的迷人魅力就在此处了。
现在我们知道了血红蛋白中有铁离子，而铁元素恰好是一种可以被磁化的物质。就像被磁铁磁化的小钉子可以吸引普通钉子，当人被推进磁场，血液中的铁离子也被磁化，在铁离子周围就形成了一个局部的新磁场。前边我们说，人体中的质子会在磁场中进动，现在我们把血液的影响考虑进去。当血液流过人体器官的时候，血液中的铁离子产生的局部磁场和外界磁场叠加起来，对它附近的质子产生影响。这不会破坏显现人体结构的“质子密度图”，因为毛细血管密布全身，铁离子的分布是相对均匀的，对质子的影响也相对均匀（所以在磁共振成像的原理中不考虑血流也不妨碍理解）。
既然铁离子的存在对显现人体结构没有影响，那把它考虑进来干嘛？答案是测量血液中含氧量的变化。前边说过，结合了氧气的铁离子是三价，未结合的是二价。价位不同的铁离子被磁化后产生的局部磁场不同，对附近质子的影响也不同。那么含氧量的变化就可以从质子受影响的程度上间接探测出来。
含氧量变化对窥测大脑活动特别有用，因为脑细胞活跃的时候大量耗氧，要靠血液来补给。当大脑的某个部位活跃起来，该处的血液中含氧量先是下降，紧接着就有大量的“新血”补充进来，导致总含氧量反而上升。那么通过比对含氧量的变化，我们就能找到大脑活跃的部位在哪里。
磁共振和功能性磁共振分别为医学和心理学做出了卓越的贡献。有了无伤害观察人体结构的方法，医生们可以通过磁共振图谱来定位肿瘤和身体的器质性病变；有了无伤害观察大脑活动的方法，心理学家们终于能把哲学高度的认知理论和脚踏实地的神经科学结合起来，迈上为意识寻找生理机制的新征程。
这两个最好不过的例子告诉我们，没有无用的知识，只有还没派上用场的知识。人们往往没有耐心去了解那些看起来很“无聊”的知识——既然用不上，何必为那些细枝末节浪费时间。可他们忽略了知识之间的相互联系：一种知识并不是为了回答某个单一的问题而存在的。知识是关于世间万物的信息，获得一种知识相当于多了一个看世界的角度，从这个角度看过去，一些原有的认识会发生改变，从而又激发出新的问题和灵感。当我们循环往复地提问和学习，当我们知道得足够多，原来点点滴滴的“废知识”就会互相联系起来显现出意义，显现出我们眼睛看不见的但却更接近本质的世界。
注：感谢 Sheldon.Li 同学在本文写作过程中给予的专业知识上的帮助。
（已发表于《时间线》2013年1月刊）
拓展阅读
量子熊猫-《读脑——神经科学的新进展》
期待《看门狗》游戏快点出。其中的启示会比一般说教更让玩家觉悟！特别是对电子技术类专业的人而言！！！
“血液中的铁离子也被磁化，在铁离子周围就形成了一个局部的新磁场”
这些论述太不科学了……
1、任何物质都有磁性；
2、（铁）磁化是宏观现象，不能用来描述微观粒子；
3、铁单质（宏观上）能被磁化是因为铁单质是铁磁体具有铁磁性，铁离子（的化合物）（宏观上）不能被磁化因为二、三价铁离子的化合物没有铁磁性；
4、作者前面不都说了质子自旋，有自旋就必然有自旋磁矩就有磁性（也就是1的原理），铁离子本来就有磁性，测不同部位含氧量的功能性核磁共振的原理显然不会是“铁离子被磁化（这是病句……）”；
5、核磁共振的知识普的很好，受教了；
6、新人第一帖，向楼主表达敬意的同时也鼓励下自己 ：）
不应该至少是碳氢氧氮四种元素吗？怎么只是碳和氢了？