「これ、何の形？」
奏が教科書の図を指差した。
「p軌道」怜が答えた。「電子が存在する確率の高い領域」
「確率？」
「量子力学では、電子の位置は確率でしか表せない」
ミリアが別の図を示した。s軌道は球形、p軌道は亜鈴型。
「美しい」奏が呟いた。
「対称性がある」怜が確認した。「自然は、対称性を好む」
「なぜこんな形になるの？」
「シュレーディンガー方程式の解」怜が説明した。「波動関数の形が、軌道の形を決める」
「波動？電子って、波なの？」
「粒子でもあり、波でもある」ミリアが付け加えた。
「どっちなの？」奏が混乱した。
「両方。粒子性と波動性を併せ持つ」怜が説明した。
「測定すると粒子、測定しないと波」
「不思議...」
ミリアが水素原子のエネルギー準位を描いた。
「1s、2s、2p、3s、3p、3d...」
「数字と文字の意味は？」奏が聞く。
「数字は主量子数n、エネルギー準位を表す。文字は角運動量量子数l、軌道の形を表す」
「s=0、p=1、d=2、f=3」怜が補足した。
「なぜその順番？」
「歴史的な命名。sharp、principal、diffuse、fundamental」
奏がメモした。「でも、生化学と関係あるの？」
「大いにある」怜が強調した。「化学結合は、電子軌道の重なり」
ミリアが分子軌道の図を描いた。
「水分子H₂O。酸素のsp³混成軌道と、水素の1s軌道が重なる」
「混成軌道？」
「異なる軌道が混ざって、新しい軌道になる」怜が説明した。
「炭素のsp³混成では、1つのs軌道と3つのp軌道が混ざって、4つの等価なsp³軌道ができる」
「正四面体配置」ミリアが付け加えた。
「だから、メタンCH₄は正四面体なんだ」奏が理解した。
「まさに。分子の形は、電子軌道で決まる」
怜が続けた。「二重結合では、sp²混成」
「1つのs軌道と2つのp軌道が混ざる。残り1つのp軌道は、π結合になる」
「π結合？」
「軌道が横から重なる結合。σ結合より弱いけど、反応性が高い」
ミリアが図を描いた。エチレンC₂H₄の構造。
「平面構造になる」怜が説明した。
「sp³は四面体、sp²は平面、sp は直線」奏がまとめた。
「完璧」怜が認めた。
「でも、量子化学って、計算が大変そう」奏が不安そうに言う。
「確かに。多電子系の厳密な計算は不可能」怜が認めた。
「近似法を使う。ヒュッケル法、分子軌道法、密度汎関数法」
ミリアが補足した。「コンピューターで計算する」
「タンパク質みたいな大きな分子も？」奏が聞く。
「簡略化した方法で。完全な量子化学計算は、小さな分子でも困難」
怜が続けた。「でも、電子の配置を理解することは重要」
「例えば？」
「酵素の活性中心。金属イオンの周りの電子配置が、反応性を決める」
ミリアが例を示した。「ヘムの鉄。d軌道の電子が、酸素と相互作用する」
「電子配置で、機能が決まる」奏が理解した。
「共役系も重要」怜が付け加えた。
「交互に並ぶ単結合と二重結合。電子が非局在化する」
「色素分子、例えばクロロフィル。共役系が広いほど、吸収波長が長くなる」
奏が興奮気味に言った。「電子軌道で、色も決まるんだ」
「光の吸収は、電子の励起」ミリアが確認した。
「低いエネルギー準位から高いエネルギー準位へ、電子が移動する」
怜が最後に言った。「電子軌道の美しい対称性。それは、自然の基本法則の表れ」
「見えないけど、存在する」奏が呟いた。
ミリアが微笑んだ。「美しさは、対称性にある」
窓の外で、虹が出ている。光が水滴で屈折し、波長ごとに分かれる。その色は、原子の電子軌道が決めている。量子の世界と、私たちの世界は、つながっている。
「これで、生化学の基礎は一通り話したね」怜が振り返った。
「まだまだ学ぶことがあるけど」ミリアが付け加えた。
奏は頷いた。「でも、生化学が好きになった」
「それが一番大事」怜が微笑んだ。
三人は、次の実験の準備を始めた。生化学の旅は、これからも続く。