«Эврика» 1991

Почему мы чувствуем запахи

Впервые ответ на этот вопрос попытался дать 2000 лет назад римский поэт Лукреций Кар в своей поэме "О природе вещей". Он думал, что не нёбе имеются маленькие поры различной величины и формы. Каждое пахучее вещество, говорил он, испускает мельчайшие "молекулы" определенной формы, и запах ощущается тогда, когда эти молекулы входят в поры на нёбе. По-видимому, опознание каждого запаха зависит от того, к каким порам подходят его молекулы.

С тех пор было предложено порядка 30 теорий. Наибольшую дискуссию вызывал вопрос, должны ли молекулы пахучего вещества приходить в контакт с рецепторами или же оно излучает волны, которые и раздражают рецепторы. Вследствие этого все теории разделились на контактные и волновые.

Особое распространение волновые теории получили в XVIII веке, по аналогии с волновой теорией света и волновой теорией слуха. Сторонники этой теории приводили в качестве аргумента феноменальную способность насекомых различать запахи на огромных расстояниях. Известно, что самец тутового шелкопряда может ощущать запах самки на расстоянии до 10 километров. Трудно предположить, что мельчайшие молекулы вещества могут переноситься на такие расстояния. Буревестники, глупыши и альбатросы чувствуют запах рыбы с расстояния более трех километров, а некоторые акулы способны ощущать запах крови, если ее концентрация в воде составляет одну миллионную долю процента.

Но сейчас от волновых теорий в основном отказались все исследователи. Объясняется это тем, что волновая теория противоречит двум основным свойствам запаха:

1.         запах не может распространяться в безвоздушной среде

2.         вещества с запахом должны быть летучи.

Такое вещество, как железо, при обычных температурах ничем не пахнет, потому что с его поверхности не происходит испарения молекул. Следовательно, запах обусловлен не волнами, испускаемыми этими веществами, а молекулами самого пахучего вещества.

И все-таки сторонники волновых теорий, несмотря на столь сокрушительные аргументы, до сих пор не сложили оружия. Особого упоминания заслуживает теория Бека и Милеса. В ней предполагается, что орган обоняния подобен маленькому инфракрасному спектрофотометру, производящему инфракрасное излучение и замеряющему его поглощение молекулами, находящимися в самом органе обоняния. Экспериментальное подтверждение этой теории содержало интересные факты. Так, было доказано, что пчелы могут чувствовать запах меда, даже если он помещен в запаянный контейнер, который, однако, пропускает инфракрасное излучение.

Если теория верна, это значило бы, что вещества с запахом, запаянные в полиэтилен и помещенные в нос, должны вызывать обонятельные ощущения, поскольку полиэтилен пропускает большую часть инфракрасного излучения. Но эксперименты на человеке показали, что в таких условиях нет никакого ощущения запаха. Поскольку инфракрасное излучение — тепловая энергия, поглощение его молекулами пахучего вещества будет происходить только в том случае, если его температура ниже, чем температура человеческого тела. Это также было опровергнуто.

Последние сообщения печати о том, что крысы могут чувствовать рентгеновское излучение при помощи органов обоняния, ни в коей мере не оживляют волновую теорию, а только показывают, что изучение обоняния должно учитывать влияние радиации на обонятельные рецепторы.

Поэтому все наши дальнейшие рассуждения будут касаться контактных теорий обоняния, и только их. Контактные теории, в свою очередь, делятся на две подгруппы в зависимости от того, химическим или физическим путем предположительно воздействуют контактирующие молекулы на обонятельные клетки.

Теории физического взаимодействия молекул пахучего вещества и органов обоняния в основном рассматривают внутримолекулярные колебания молекул веществ, воздействующих на рецепторы. Наиболее показательной в этом отношении является вибрационная теория Дисона — Райта.

Еще в 1937 году Г.М. Дисон сформулировал три необходимых условия пахучести вещества: летучесть, растворимость и внутримолекулярные колебания, которые дают пик в спектре Рамана в области 3500.1400 см-1. Он предположил, что колебательные частоты молекул могут быть оценены, исходя из спектра Рамана. Основываясь на известных, ограниченных еще в то время данных, Дисон считал, что область 3500.1400 см-1 — это частоты, чувствительные для обонятельной зоны. Поскольку слух и зрение включают восприимчивость к колебаниям определенной частоты, весьма логично, казалось бы, построить теорию запаха по аналогии. Хотя в то время теория и привлекла внимание, но была быстро забыта, поскольку не было обнаружено связи между колебаниями в области 3500. 1400 см-1 и запахом.

Однако в 1956 году теория Дисона вновь была поднята Райтом. Райт полагал, что основная идея вибрационных частот, к которым восприимчивы обонятельные рецепторы, верна, но Дисон неправильно выбрал интервал частот. Известно, что результирующее поглощение сложного колебания молекулы в целом лежит в области низких частот, и поэтому Райт предложил в качестве обонятельной зону инфракрасных частот — от 500 до 50 см-1. Согласно этой теории колебательные частоты определяют качество запаха, тогда как летучесть, способность к адсорбции (поглощению), растворимость — его интенсивность. Считается, что все молекулы обонятельного эпителия находятся в состоянии электронного возбуждения с запрещенным переходом в основное состояние. Молекулы пахучего вещества комбинируются с молекулами обонятельного эпителия (причем с определенным соответствием колебательных частот), меняют частоту колебаний молекул эпителия и стимулируют возвращение возбужденной молекулы в исходное состояние. Для объяснения разнообразных запахов должно быть несколько типов клеток обонятельного эпителия.

Основываясь на том, что нет примеров различия запахов оптических изомеров, Райт утверждал, что в основном в процессе обоняния играет роль физическое, а не химическое взаимодействие. Легкие различия в запахе некоторых оптических изомеров он относил к разной степени частоты колебаний. Изменение качества запаха при разведении, считал Райт, вероятно, происходит потому, что он состоит из нескольких более простых, имеющих различные пороговые значения, а при низкой концентрации фиксируются только определенные компоненты.

В качестве экспериментальных подтверждений своей теории Райт приводил следующие: соединения, обладающие запахом горького миндаля, имеют сходные низкочастотные спектры; у синтетического мускуса есть линии поглощения в дальней инфракрасной области, где у других, немускусных соединений, их нет, и, наконец, наблюдается корреляция между низкочастотными колебаниями и биологической активностью полового притяжения насекомых.

Вибрационная теория подвергалась справедливой критике, в особенности гипотеза о возбуждении электронов обонятельного эпителия. Достаточно привести такой пример: изотопные молекулы имеют одинаковый запах, хотя их колебательные частоты очень разнятся. Но сам факт, что к вибрационной теории вновь вернулись после 20-летнего забвения, говорит о том, что в основе ее лежит рациональное зерно. Может быть, при более детальной разработке и более солидной экспериментальной базе к ней обратятся и в третий раз.

Что же утверждают сторонники химических контактных теорий? В течение многих лет химики эмпирическим путем синтезировали огромное количество пахучих веществ как для парфюмерии, так и для своих собственных исследований обоняния, но вместо того, чтобы пролить свет на свойства, от которых зависит запах, это только увеличивало путаницу. Было открыто лишь несколько общих принципов. Например, добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов весьма усиливает запах. Сильный запах оказался также свойственным молекулам некоторых спиртов и альдегидов, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов. Однако чем больше химики анализировали химическое строение пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и структуры эти вещества поражают отсутствием какой-либо закономерности.

Но, как это ни парадоксально, само это отсутствие закономерности стало своего рода закономерностью. Например, два оптических изомера — идентичные во всех отношениях молекулы, кроме того, что одна является зеркальным отражением другой, — могут пахнуть по-разному. В веществах, молекулы которых содержат бензольное кольцо из шести углеродных атомов, изменение положения группы атомов, связанных с кольцом, может резко изменить запах, тогда как у соединений, молекулы которых включают большое кольцо из 14. 19 атомов, такого рода перегруппировка заметного изменения их запаха не вызывает. Эти факты привели химиков к мысли о том, что, возможно, основным фактором, определяющим запах, является общая геометрическая форма молекулы, а не какая-либо деталь состава или структуры вещества.

В 1949 году Р. Монкрифф оформил эти идеи, предложив гипотезу, сильно напоминавшую догадку Лукреция 2000-летней давности. Монкрифф предположил, что обонятельная система построена из рецепторных клеток немногих типов, каждый из которых воспринимает отдельный "первичный" запах, и что пахучие молекулы оказывают свое действие при точном совпадении их формы с формой "рецепторных участков" этих клеток. Он предположил, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, каждый из которых отвечает основному запаху. Его гипотеза была новым приложением концепции "ключа и замка", которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субстратами, антител с антигенами, молекул ДНК с молекулами РНК.

Дж. Эймур развил и детализировал теорию Р. Монкриффа. Потребовалось два усовершенствования: во-первых, установить, сколько существует видов рецепторов, и во-вторых, определить размеры и форму каждого из них. Для определения количества видов рецепторов Эймур установил число основных запахов, считая, что каждый из них отвечает форме рецептора. Это было достигнуто при объединении 600 соединений в группы на основе сходности запаха. На основании частоты встречающихся запахов удалось выделить 7 запахов, которые можно рассматривать как первичные.

При смешивании первичных запахов в определенных пропорциях можно получить любой известный запах. Молекулы важнейших запахов могут совпасть только с одним видом рецепторов, тогда как молекулы сложных запахов должны подходить двум или даже большему числу видов рецепторов. Поэтому важнейшие запахи в чистом виде встречаются реже, чем сложные.

Чтобы воспринять семь первичных запахов, в носу, согласно теории Эймура, должно быть семь различных типов обонятельных рецепторов. Ученый представлял рецепторные участки в виде ультрамикроскопических щелей или впадин в мембране нервного волокна, каждая из которых имеет своеобразную форму и величину. Предполагалось, что молекулы определенной конфигурации "вписываются" в каждый из этих участков, подобно тому, как штеккер входит в гнездо.

Следующей проблемой было изучение формы семи рецепторных участков. Оно началось с исследования формы молекул различных пахучих веществ с помощью методов современной стереохимии. Оказывается, используя дифракцию рентгеновских лучей, инфракрасную спектроскопию, электронно-зондовый анализ и целый ряд других методов, можно построить трехмерную модель молекулы.

Когда таким образом были построены молекулы всех соединений, обладающих камфарным запахом, оказалось, что все они имеют примерно одинаковую округлую форму и диаметр, равный семи ангстремам. Это означало, что рецепторный участок для камфарных соединений должен иметь форму полукруглой чаши такого же диаметра.

Таким же способом были построены и модели других "пахучих" молекул. Выяснилось, что мускусный запах характерен для молекул дискообразной формы с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветочный запах вызывается молекулами дискообразной формы с гибким хвостом, как у воздушного змея. Прохладным мятным запахом обладают молекулы клинообразной формы. Эфирный запах обязан своим происхождением палочковидным молекулам. В каждом из этих случаев рецепторный участок на нервном окончании, по-видимому, имеет форму и величину, соответствующую форме и величине молекул.

В настоящее время наиболее признана стереохимическая теория обоняния Монкриффа — Эймура. Она прошла целый ряд экспериментальных проверок, доказавших правильность ее основных положений. Эймур синтезировал несколько молекул определенных форм, и все они обладали предсказанным запахом.