Name: 量子物理学で匂いを嗅ぐ方法 (You Use Quantum Physics to Smell)
Uploaded: 2026-01-24T11:31:43.000Z
Duration: 9 min 24 s
Description: VoiceTubeの動画で発音を聞きながら英語表現を覚えよう！学べる英語：

Our nose uses quantum physics to smell, at least according to our best theory of how smell works.

私たちの鼻は、少なくとも匂いの仕組みに関する最も有力な説によれば、量子物理学を使って匂いを感じています。

Now, how our noses work was always a bit of a mystery to me, but

さて、鼻がどのように機能するのかは、私にとってずっと謎でしたが、

I recently learned how they worked and so I thought I'd make a video about it.

最近その仕組みを知ったので、それについて動画を作ろうと思いました。

When you sniff odour, molecules get sucked into your nose and they get captured by a layer of mucus and are then taken to a postage stamp sized area in the top of your nasal cavity called the olfactory epithelium.

匂いを嗅ぐと、分子が鼻に吸い込まれ、粘膜の層に捕らえられ、鼻腔の奥にある嗅上皮と呼ばれる切手大の領域に運ばれます。

This contains bundles of neurons containing special receptor sites which detect the molecules and send signals to the brain.

ここには、分子を検知して脳に信号を送る特殊な受容体部位を持つニューロンの束が含まれています。

It has been difficult to know exactly how receptors work because nobody has worked out a way of looking at them while they're in a living nose.

生きた鼻の中で受容体を観察する方法が誰も見つけられなかったため、受容体が正確にどのように機能するかを知ることは困難でした。

You can take them out of a nose and look at them, but

鼻から取り出して観察することはできますが、

then they lose their structure when they're not supported by the cell membrane that they sit in.

その場合、受容体が収まっている細胞膜による支持が失われると、構造が失われてしまいます。

It would be like taking a jellyfish out of the sea which just collapses into a mushroom.

それは、海からクラゲを取り出したときに、キノコのように崩れてしまうようなものです。

We know that the sensation of smell is caused by odor molecules being caught by the receptor sites, which then causes those neurons to fire.

匂いの感覚は、臭気分子が受容体部位に捕らえられることによって引き起こされ、それがニューロンを発火させることがわかっています。

But because we can't directly look at the receptors, we have to infer how they work from indirect evidence.

しかし、受容体を直接見ることができないため、間接的な証拠からどのように機能するかを推測するしかありません。

Now, there's two main theories about how smell receptors work, shape and vibration.

さて、嗅覚受容体がどのように機能するかについては、主に形説と振動説の2つの理論があります。

The shape theory says that the smell receptors have specific shapes that fit the odour molecules, kind of like a key fitting into a lock.

形説では、嗅覚受容体は臭気分子に合う特定の形をしており、鍵が鍵穴に合うようなものです。

However, this theory doesn't quite work because we know that we don't have one kind of receptor for every type of odor molecule.

しかし、この理論は、臭気分子の種類ごとに受容体があるわけではないことがわかっているので、あまりうまくいきません。

We have about 300 different kinds of receptors, but we can detect about 10,000 different smells.

約300種類の受容体がありますが、約10,000種類の匂いを検出できます。

So there's something more complicated going on.

ですから、もっと複雑なことが起こっているのです。

The latest theory is that each receptor is built to fit just one section of a molecule.

最新の理論では、各受容体は分子の1つの部分に適合するように作られているということです。

So any molecule that has that part will have a similar smell.

したがって、その部分を持つ分子はすべて同様の匂いがします。

So any molecule that has a sulfur hydrogen bond will smell like rotten eggs.

したがって、硫黄水素結合を持つ分子はすべて腐卵臭がします。

This matches with the evidence because you can get many different shaped molecules that end up having the same smell because they've got a similar molecular group.

これは、分子の形が異なっていても、分子基が似ているために同じ匂いがすることが多いという証拠と一致します。

However, this theory can't explain everything.

しかし、この理論だけでは全てを説明できません。

There are certain molecules that are made of the exact same groups, but

同じ基でできている分子でも、

are just arranged in a different way, but they smell very different to each other.

配置が少し違うだけで、全く違う匂いがすることがあります。

For example, vanillin, which smells like vanilla, has all the same molecular groups, just in a different order to isovanilin, which has a very nasty, sickly medicinal smell.

例えば、バニラのような香りのバニリンは、イソバニリンと同じ分子基を持っていますが、その配置が異なります。イソバニリンは非常に不快で、病的な薬のような匂いがします。

So there's an alternative theory of smell, the vibration theory.

そこで、嗅覚の別の理論、振動説があります。

In the vibration model of smell, the smell receptor can tell the difference between different molecules based on how they vibrate.

振動説では、嗅覚受容体は分子の振動の仕方に基づいて、異なる分子を区別することができます。

Each chemical bond has a certain resonant frequency that it naturally vibrates at.

それぞれの化学結合は、自然に振動する特定の共鳴周波数を持っています。

Kind of like how an open guitar string always resonates at the same frequency and so always gives you the same pitch.

ギターの開放弦が常に同じ周波数で共鳴し、同じ音程を出すようなものです。

So different molecules have a different signature set of vibrational frequency, which depends on what atoms they're made of and how they're all connected.

そのため、異なる分子は、構成する原子や結合の仕方によって決まる、異なる振動周波数のシグネチャーを持っています。

In the past, scientists have harnessed this property to figure out the chemical composition of molecules using light in a process called Raman spectroscopy.

過去には、科学者たちがこの性質を利用して、ラマンスペクトル法と呼ばれるプロセスで光を用いて分子の化学組成を解明してきました。

When you shine laser light through a bunch of molecules, some of the light's absorbed to make these molecular bonds vibrate, and

レーザー光をたくさんの分子に当てると、光の一部が吸収されてこれらの分子結合が振動し、

then light with different energy and hence a different frequency is emitted.

そして、異なるエネルギー、つまり異なる周波数の光が放出されます。

You can then look at the frequencies of this new light, which we see as their color, and

この新しい光の周波数を調べれば、それが色として見え、

分子が何でできているかがわかります。

And it's worth mentioning that when it comes to light, each specific color relates to a specific frequency which has a specific energy.

光に関して言えば、特定の色は特定周波数と特定のエネルギーに対応していることを付け加えておく価値があります。

There's a one to one mapping between them.

それらの間には1対1のマッピングがあります。

This has been a great way to detect different kinds of molecule.

これは様々な種類の分子を検出するのに非常に良い方法でした。

So perhaps our smell receptors are doing something like this.

ですから、おそらく私たちの嗅覚受容体もこれに似たことをしているのでしょう。

But for many years, the vibration theory of smell was not very popular because there's no way our noses can do Raman spectroscopy, as unfortunately, our noses don't emit laser beams.

しかし長年、振動説はあまり人気がありませんでした。なぜなら、私たちの鼻でラマンスペクトル法を行う方法がないからです。残念ながら、私たちの鼻はレーザービームを発しないのです。

And we can't be using natural light because we can smell in the dark.

そして、自然光を使うこともできません。なぜなら、暗闇でも匂いを嗅ぐことができるからです。

But there is another method to detect the vibrations of molecules that uses electrons instead of light, which comes from the realm of quantum physics.

しかし、光ではなく電子を使って分子の振動を検出する別の方法があります。これは量子物理学の領域から来ています。

それは量子トンネルの一種です。

Quantum tunneling is the phenomena where quantum particles, like electrons, can travel to places that normal classical particles can't.

量子トンネルとは、電子のような量子粒子が、通常の古典粒子では到達できない場所に移動できる現象のことです。

They can jump through walls by disappearing from one side and immediately peering on the other.

片側から消えてすぐに反対側から現れることで、壁をすり抜けることができるのです。

This is one of the counterintuitive behaviors of quantum particles and is a consequence of quantum particles behaving as spread out waves in a specific situation.

これは量子粒子の直感に反する振る舞いの一つであり、量子粒子が特定の状況で広がった波のように振る舞うことの結果です。

Electron tunneling can actually be used to find the resonant frequencies of molecules.

電子トンネルは、実際に分子の共鳴周波数を見つけるために使用できます。

If we take two metals and separate them by a small barrier and then apply a voltage to make an electron get pushed to one side.

2つの金属を用意し、小さな障壁で隔ててから電圧をかけて電子を片側に押し出すとします。

Normally in classical physics, the electron can't get across this barrier, but

通常の古典物理学では、電子はこの障壁を越えることはできませんが、

if the gap is very small, it can quantum tunnel to the other side.

もし隙間が非常に小さければ、量子トンネルで反対側に到達できます。

しかし、追加の条件があります。

An electron in a metal is a certain energy, and

電子は金属内で特定のエネルギーを持っており、

it can only tunnel to the other side if there's an empty hole which has got the same energy.

同じエネルギーを持つ空の穴があれば、反対側にトンネルすることができます。

But if the hole on the other side is at a lower energy, the electron can't tunnel because there's nowhere for the spare Energy to go.

しかし、反対側の穴がより低いエネルギーの場合、余分なエネルギーが行き場がないため、電子はトンネルできません。

But if we introduce a molecule into the gap, something interesting happens.

しかし、ギャップに分子を導入すると、興味深いことが起こります。

If the energy difference between the electron and the hole is just the same as the energy needed to vibrate one of the resonances of the molecule, then the electron is allowed to tunnel across and it drops its extra energy into vibrating the molecule when it goes across.

電子と穴のエネルギー差が、分子の共鳴の1つを振動させるのに必要なエネルギーとちょうど同じであれば、電子はトンネルすることが許可され、トンネルする際に余分なエネルギーを分子の振動に与えます。

Scientists have built machines that use this property to probe molecules.

科学者たちは、この特性を利用して分子を調査する機械を開発しました。

The technique is called inelastic electron tunneling spectroscopy.

この技術は非弾性電子トンネル分光法と呼ばれます。

You can put in different molecules, change the energy difference between the electron and the hole and see where the electron tunnels, which tells you about the resonances of the molecule and so tells you what it's made from.

異なる分子を導入し、電子と穴のエネルギー差を変更して、電子がどこをトンネルするかを確認できます。これにより、分子の共鳴についてわかり、それが何でできているかがわかります。

So perhaps our nose is doing the same thing.

おそらく私たちの鼻も同じことをしているのでしょう。

Perhaps our smell receptors are behaving like that metal and the gap, which is waiting for an odour molecule to come in, which allows an electron to pass across the receptor and trigger the nerve.

おそらく私たちの嗅覚受容体は、金属とギャップのように振る舞い、臭気分子が入ってくるのを待ち、電子が受容体を横切って神経を活性化することを可能にしているのでしょう。

To find out, scientists did some very clever experiments.

その答えを知るために、科学者たちは非常に巧妙な実験を行いました。

This theory makes a very specific prediction that the odor of a molecule depends on the frequencies it vibrates at.

この理論は、分子の匂いがその振動する周波数に依存するという非常に具体的な予測を立てています。

So if you could change the frequencies of a molecule, you would also change its smell.

ですから、分子の周波数を変えることができれば、その匂いも変わるということになります。

というわけで、彼らはまさにそれを実行しました。

彼らはある分子を用意しましたが、

replaced all of the hydrogen atoms with a heavier form of hydrogen called deuterium, which instead of having one proton in the nucleus, they've got a proton and a neutron.

その水素原子をすべて、重水素と呼ばれる水素の重い形態に置き換えました。これは、原子核に陽子を1つ持つ代わりに、陽子と中性子を1つずつ持っています。

Deuterium has all the same chemical properties as hydrogen, but is much heavier.

重水素は水素と同じ化学的性質をすべて持っていますが、はるかに重いです。

The scientists got a bunch of the normal molecules and the heavier deuterated molecules and got different subjects to sniff them to see if they could tell the difference.

科学者たちは、通常の分子と重水素化された重い分子を大量に用意し、被験者に嗅いでもらって違いがわかるかどうかを調べました。

Humans, fruit flies and whitefish, they found strong evidence from these creatures that these two different forms of the molecule actually smells different.

人間、ショウジョウバエ、そして白身魚から、これらの2つの異なる形態の分子が実際に異なる匂いがするという強い証拠が見つかりました。

This is really cool, because it's really good evidence that our noses use quantum physics to smell the world, which I find utterly amazing.

これは本当に素晴らしいことです。なぜなら、私たちの鼻が量子物理学を使って世界を嗅ぎ分けているという非常に良い証拠になるからです。私はそれを全く驚くべきことだと感じています。

Quantum physics shouldn't play much of a role in our warm, complicated bodies, so.

量子物理学は、私たちの暖かく複雑な体内ではあまり役割を果たさないはずです。

それがそうであるというのは、本当にクレイジーなことです。

But as successful as the vibration model is, it can't explain everything.

しかし、振動説は成功しているものの、すべてを説明できるわけではありません。

You may have heard of chiral molecules, which are molecules that are made of all the same stuff, but

キラリティを持つ分子について聞いたことがあるかもしれませんが、それらはすべて同じ物質でできていますが、

互いに鏡像として配置されています。

For example, carvone has a left handed and right handed form, because these are made of the same atoms and bonds, they have all the same vibrations, so will look identical to vibration tests like Raman spectroscopy, inelastic electron tunneling.

例えば、カルボンには左手型と右手型がありますが、これらは同じ原子と結合でできているため、すべての振動が同じであり、ラマンスペクトルや非弾性電子トンネルなどの振動テストでは同一に見えるでしょう。

So according to the vibration theory, they should smell the same, but they don't.

そのため、振動説によれば、それらは同じ匂いがするはずですが、そうではありません。

One form smells like caraway or dill and the other smells like spearmint so what can we conclude from all of this?

一方の形はキャラウェイやディルのような匂いがし、もう一方はスペアミントのような匂いがします。このことから何を結論付けられるでしょうか？

It seems like you need both the shape model and the vibration model to explain how we smell.

私たちがどのように匂いを嗅いでいるかを説明するには、形状モデルと振動モデルの両方が必要であるようです。

Perhaps our receptors first check the shape of the molecules and then.

おそらく、私たちの受容体はまず分子の形状を確認し、それから。

And then, if they get past that barrier, they are checked for their resonance vibrations through quantum tunneling.

そして、それらがその障壁を通過すると、量子トンネル効果によって共鳴振動がチェックされます。

But we won't know exactly how this works until we can figure out a way of directly observing the receptor sites in action.

しかし、受容体部位が実際に機能している様子を直接観察する方法を見つけ出すまで、これがどのように機能するのか正確にはわかりません。

But isn't it crazy to think that these experiences of smell we have of a flower or coffee or freshly baked bread or a newborn baby, this experience of the world, came to your brain through something as strange as quantum tunneling?

花やコーヒー、焼きたてのパン、生まれたばかりの赤ちゃんの匂いといった私たちの嗅覚体験、この世界の体験が、量子トンネル効果のような奇妙なものを経て脳に届いたと考えると、クレイジーだと思いませんか？

So quantum physics, which seems for many people to be so strange and abstract, well, it's going on right up your nose.

ですから、多くの人にとって非常に奇妙で抽象的に思える量子物理学が、実はあなたの鼻の中で起こっているのです。

Just like all my other videos, I've made a poster for this one.

他のすべての動画と同様に、この動画にもポスターを作成しました。

You can either buy it or get it for free.

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入手方法については、説明欄をご覧ください。

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Other than that, I'm going to be making a ton more videos now under the banner of domain of science.

それ以外にも、ドメイン・オブ・サイエンスという名で、これからもたくさんの動画を作っていきます。

それでは、次回の動画でお会いしましょう。