氫分子在生物組織中具有極強的流動性，就像水中的氫原子一樣。水中這快速原子運動是通過量子隧穿機制實現(xiàn)的。隧穿只能用量子物理來描述，這是一種控制微觀世界的物理定律。雖然用通俗的語言來解釋它并不容易，但我們所以這么做，是因為沒有這個概念，無法弄清楚生物體中氫的各種獨特特性。
 

一、什么是量子隧穿效應?
 

電子轉移是實現(xiàn)氧化還原反應的本質，電子傳遞能利用量子隧穿效應實現(xiàn)，量子隧穿幾乎和量子糾纏一樣，是量子效應中最讓人感到不可思議的特性。在量子力學里，量子隧穿效應(Quantum tunneling effect)指的是，像電子等微觀粒子能穿入或穿越位勢壘的量子行為，盡管位勢壘高度大于粒子總能量。經(jīng)典力學里這不可能發(fā)生的，但量子力學理論卻可以給出合理解釋。有學者提出，氫氣醫(yī)學效應也可能存在量子隧穿效應。
 

在物質中某一特定位置駐留的原子，意味著該位置為原子提供了一個穩(wěn)定環(huán)境，或者說為駐留原子提供了一個低能態(tài)環(huán)境。一個原子在物質中移動時，會從一個穩(wěn)定的位置連續(xù)移動到另一個相鄰位置，隨著時間延長通過重復方式在移動很長距離。但是，原子從一個穩(wěn)定位置(能量最小值)移動到另一個穩(wěn)定位置，必須越過中間通道(能量勢壘)。原子跳通常發(fā)生在有熱能供應的環(huán)境中，被稱為熱激活過程，這種過程在高溫條件下更普遍。這種情況類似于將一個盆地中積累水轉移到鄰近盆地;要把水帶過山口，必需施加外部能量。然而，如果兩個盆地由地下水管或隧道連接，那么水就會自己慢慢地流動，不需要任何額外的能量。類似現(xiàn)象發(fā)生在原子尺度的隧道過程，如圖1所示。因為穿隧過程不需要熱能，原子遷移速度與溫度無關，遷移甚至可以在低溫下發(fā)生。
 

圖1 量子隧穿效應模式圖。
 

在生物學領域也大量存在量子隧穿效應。其中最著名的就是在葉綠體內(nèi)光合作用和線粒體內(nèi)電子傳遞鏈。電子傳遞鏈一般是指電子在線粒體呼吸復合物之間的傳遞，這種電子傳遞能用經(jīng)典的化學反應來解釋，但是在復合物內(nèi)的電子傳遞則存在無法用經(jīng)典化學理論來解釋的現(xiàn)象(圖2)。電子傳遞時從不同氧化還原中心轉移的過程，只在線粒體復合物I中，就存在9個氧化還原中心，一般都是鐵硫簇為活性中心，電子在不同氧化還原中心的轉移呈現(xiàn)出跳躍的特征，這種跳躍就是通過量子隧穿效應實現(xiàn)的。因為從這些活性中心之間的距離看，電子具備在不同中心之間的隧穿效應。這些氧化還原中心之間的空間分布距離不超過14埃，每個中心的電子親和力比上一個更大一些，這種結構特征能讓電子沿著一個固定的路徑持續(xù)跳下去，就像人踩著均與分布的墊腳石過河。
 

圖2 線粒體電子傳遞鏈
 

按照量子物理理論，顆粒發(fā)生量子隧穿必需具備兩個條件：1)運動粒體必需非常小，2)能量障礙必需比較小或距離比較近。
 

一般量子隧穿經(jīng)常發(fā)生在電子這種小質量顆粒。1990年代發(fā)現(xiàn)，氫原子也具備發(fā)生量子隧穿的條件。氫原子是體積最小的原子，質量是電子的1800倍。由于氫參與了生物體幾乎所有生化反應，隧穿在生化反應中重要的作用是很有可能的，也早就被證實了。
 

二、氫原子量子隧穿。
 

液態(tài)水中的水分子持續(xù)滾動，如果精確記錄水分子的狀況會發(fā)現(xiàn)，水分子可通過氫鍵相互結合成團簇，氫原子會和鄰近氫鍵鏈接的水分子共同移動。
 

圖3 氫原子隧穿效應。
 

圖3解釋這樣一個過程，當氫原子從左側氧原子 (OA)移動到右側氧原子(OB) ，或者從右側水分子移動到左側水分子。氫原子能量從 (a)到(b)然后到(c)。注意從OA到OB，氫原子位置變化非常小。氧原子和氫原子之間的氫鍵平均距離2.8埃，如果由于分子運動而使距離稍微縮短，會出現(xiàn)一個具有兩個能量極小值的中間態(tài)，如圖2 (b)所示。這樣使兩個極小值能壘變小變近，滿足氫原子隧穿發(fā)生的條件。水中氫原子快速遷移是氫鍵與隧穿協(xié)同作用的結果。因為氫原子轉移是許多生化反應的關鍵步驟，氫原子隧穿也是量子物理過程最受重視的現(xiàn)象。
 

三、氫分子也可能發(fā)生量子隧穿。
 

氫氣在人體組織內(nèi)擴散速度非?？?，能自由穿越細胞膜到達細胞內(nèi)各種細胞器。因為存在這一突出特征，氫氣分子在生物系統(tǒng)內(nèi)也可能會發(fā)生量子隧穿效應。
 

1)氫氣分子體積小，能非常容易在狹窄的生物分子之間擴散。2)氫氣分子比較惰性，不太容易和其他生物分子發(fā)生化學反應。3)氫氣分子質量小，滿足隧穿效應條件。
 

圖4 氫原子和氫分子的電子軌道。氫分子和原子大小和結構都非常類似。
 

氫原子和氫分子的形狀如圖4所示。當分子寫成H-H時，人們可能會認為它看起來像一個啞鈴。實際上氫氣分子幾乎是球形的，兩個電子圍繞兩個原子核(質子)旋轉，兩個原子核距離只有0.74 埃。氫分子形狀類似于氫原子，氫原子只有一個電子繞著一個質子旋轉。因為原子和分子的大小是由電子分布決定，氫分子和原子大小接近。與氫原子不同的是，氫分子非常穩(wěn)定，不會與周圍的物質相互作用，也不會形成氫鍵。這些特性有利于氫分子自由穿過生物聚合物。離子如H+和OH-在生物組織中運動都比較困難。因為它們是由含9個核外電子氧組成，體積太大，無法穿過生物材料網(wǎng)絡，也因為它們質量太大，不允許發(fā)生隧道效應。
 

事實上，氫分子穿隧的可能性非常微妙。因為氫分子質量是氫原子的兩倍，與氘原子的質量相同，所以氫分子隧穿現(xiàn)象可能相對出現(xiàn)較少。不過氫分子與周圍物質的弱相互作用應該使運動能量勢壘低于氫原子的情況。因此，氫分子隧穿運動仍然很有可能發(fā)生。
 

目前科技文獻中很少沒有關于生物材料中氫分子擴散速度的報道。氫分子可通過血液流動有效地運輸，但要實現(xiàn)生理效應，氫氣必須進入組織細胞內(nèi)部。唯一相關報道是測量氫分子通過大鼠眼玻璃體平均時間在使用氫水后。該實驗中，氫氣分子穿過約5毫米玻璃體時間為5分鐘，表明該生物材料的流動性與天然橡膠、聚乙烯等大分子類似。這個值也可與氫原子在水中的遷移率接近，是典型的通過隧道進行原子遷移。因此，很可能是氫分子通過隧道穿過玻璃體。
 

氘分子的形狀幾乎與氫分子相同，質量是氫分子的兩倍，是氫原子的四倍。因此，氘氣分子的隧穿作用被認為是相當有限。因此，氘氣體和氘水預期不會具有類似于氫水的健康益處。如果是這樣，將來可以使用氘氣吸入或含氘氣水和氫氣進行對比實驗。
 

氫氣醫(yī)學效應存在比較詭異的特征。首先，氫氣對正常生理狀態(tài)比較忽視，似乎沒有生理性效應，只對存在損傷和疾病狀態(tài)有作用，且病情越嚴重效果越好。其次，氫氣的劑量小效應比較強。最后是氫氣效應非常廣泛。這些特征可能是因為氫氣存在我們不掌握的效應基礎。量子隧穿效應給我們提供了一個比較合理的解釋。氫氣的還原性基礎給效應提供了功能條件，氫氣的體積小擴散能力強提供了具有隧穿效應的結構條件。這方面的研究值得我們重視。