這個分析揭示出，一種叫做量子糾纏的效應在氧分子與血紅蛋白結合的過程中發揮著重要的作用。糾纏是量子力學中最典型的特性，電子對通過糾纏的方式緊密地結合在一起，再也無法獨立行動。這個過程還涉及到Hund交換，這是量子力學中的另一大特性，是被以前的模擬分析所忽略的。
為什麼我們屏住呼吸的時候不會窒息呢？來自不同國家的一組科學家用量子力學解開了這個迷。
量子力學對於解釋電子的行為等微觀現象非常有用。但是最近幾年，理論家越來越多地向我們展示了量子力學在生活、宏觀和微觀的各個方面的應用。
這項新的研究是倫敦國王學院的Cédric Weber領導的，再次證實了量子力學在生活中的應用。
研究團隊的David O'Regan說，“這項研究有助於說明一個事實，量子力學效應有時可能讓人覺得很奇怪，或者只與某些極端的條件有關，但是實際上，它和生物、化學、材料科學等學科一樣，在每天的生活中也發揮著作用。”
Weber的團隊解釋的謎題，與一氧化碳與人體中負責運送氧的血紅蛋白之間的反應有關。
血紅蛋白中含有鐵原子，能夠通過血管將氧分子運送到人體中需要氧的各個部位。根據傳統的理論，無論在體內還是體外，血紅蛋白應該更經常與一氧化碳分析結合，而不是氧分子。
如果發生了這樣的情況，就會發生窒息，使人和動物死亡。
人體內自然產生的少量一氧化碳不足以完全取代氧，即使它與血紅蛋白結合的能力更強。但是我們本應該很容易因大氣中的一氧化碳而中毒。但是在生活中，發生一氧化碳中毒的情況是很少見的，這個事實意味著，氧氣與血紅蛋白有效結合的能力比理論預測的要強。
“所以科學家面臨的問題就是，要解釋血紅蛋白怎樣做到更有效地與氧結合，而不是與一氧化碳結合的，”領導這個研究項目的耶魯大學化學家Daniel Cole說。
為了解決這個問題，研究團隊用基於量子力學的計算機模擬技術模擬了氧和一氧化碳與肌血球素（肌肉組織中負責運送氧的主要蛋白質）之間的反應。
這種模擬技術叫做密度泛函理論（DFT），為它的發明者贏得了1998年的諾貝爾化學獎，從那時起就成為理論化學和理論物理研究的重要工具。
“DFT是模擬材料和分子的電子特性的標准工具，”O’Regan說。
研究團隊用這項技術研究了肌血球素內部的鐵原子與氧分子或一氧化碳分子之間的反應。當鐵原子將負電荷轉移到氧分子或一氧化碳分子時，這個分子就可以將自己附著在肌血球素蛋白質上。
不幸的是，傳統理論一直預測一氧化碳與肌血球素結合應該比氧容易得多。
“我們以前的DFT計算顯示，大約有一半電子轉移到了氧分子上，”Cole說。“雖然這個結果很穩定，但是仍然不夠；計算預測，一氧化碳與肌血球素結合的能力應該比氧強得多得多。”
經過反思，研究團隊決定采用兩種新的方法來解決這個問題。
因為肌血球素分子含有1000個以上的原子，科學家采用了DFT的一個特殊變體。O’Regan說，這個變體“可以用來處理較大的系統，而不會損害模擬的精確性”。
他們還應用了DFT的另一種擴展形式，叫做動力平均場理論（DMFT）。
“利用DMFT，我們實際上顯示的類似於一個電子被轉移到氧分子，”Cole解釋說。“這樣提供的靜電穩定性比以前所認為的大得多。這意味著，我們現在對於氧和一氧化碳與血紅蛋白結合的相對能力的估計，與實驗非常一致。”
這個分析揭示出，一種叫做量子糾纏的效應在氧分子與血紅蛋白結合的過程中發揮著重要的作用。糾纏是量子力學中最典型的特性，電子對通過糾纏的方式緊密地結合在一起，再也無法獨立行動。這個過程還涉及到Hund交換，這是量子力學中的另一大特性，是被以前的模擬分析所忽略的。
“這些效應強化了鐵和氧之間的直接結合，也強化了氧與血紅蛋白之間的靜電互動，”Cole解釋說。
研究的最終結論是，“在氧與一氧化碳誰更容易與血紅蛋白結合這個問題上，我們可以大大改進理論與實驗之間的一致性，”O'Regan說。
除了理解呼吸的分子基礎以外，這項研究還可以應用於其他方面。Cole說，更好地了解分子是如何與含鐵的蛋白質結合的，可能有助於藥物開發，還可能有助於開發用於獲取和儲存太陽能的人工光合作用設備。