Содержание
Возраст ароматов
Теория начинается с вопросов
Химическая или физическая природа запаха
Подводные рифы теории обоняния
Недостающие звено
Информация о запахе
Шифрованные телеграммы запаха
Молекулы в работе
Химический светофор
Гипотезы и теории ученых
Запахи, которые вызывают воспоминания
Этой тайне столько же лет, сколько и тем, кто пытается ее разгадать, — она родилась вместе с человеком. Обоняние — единственное из всех пяти наших чувств, природа которого до сих пор не до конца раскрыта учеными.
Откуда берется запах? Чем он вызван? Почему вещества пахнут по-разному? Как мы воспринимаем эту огромную гамму запахов? Иными словами, что такое запах? Подобные вопросы давно волновали людей, но ответа на них не было.
Возраст ароматов
Эта проблема, как многие другие, имеет две стороны: теоретическую и практическую. И вышло так, что ученые — практики значительно обогнали ученых — теоретиков.
До сегодняшнего дня еще не создана сколько-нибудь законченная, признанная теория обоняния, но имеется очень много серьезных практических работ по созданию различных душистых веществ.
Описаний работ первых парфюмеров вы не найдете в научных журналах: они дошли до нас в нетронутых тысячелетиями творениях древних мастеров. При раскопках гробницы египетского фараона Тутанхамона были найдены бальзам и благовония, которые до наших дней сохранили свой изумительный аромат.
Раньше искусством запахов владели немногие, сейчас это целая отрасль промышленности — парфюмерная.
Многие века человек пользовался для создания различных душистых веществ тем, что дала ему природа: розовым маслом, маслом сандалового дерева, мускусом. Развитие парфюмерной промышленности поставило перед химиками — синтетиками задачу создать искусственно природные запахи.
Самый простой, но не самый короткий путь состоял в копировании природы. Простой — потому что в данном случае работа сводилась к выяснению структуры молекул природного вещества и механическому воспроизведению этой структуры; не короткий — потому что молекулы натуральных веществ имели часто очень сложное строение.
Однако этот путь все-таки необходимо было пройти: нельзя стать зрелым, минуя детство. Эти исследования дали определенную пользу: были синтезированы первые искусственные душистые вещества. Но следующим более качественно высоким этапом должно было стать не простое подражание природе, а разумное, рациональное воспроизведение запахов.
Теория начинается с вопросов
Для этого нужно было сначала выяснить одну принципиальную вещь: вся ли молекула «пахнет» или только ее какая-то часть?
Сначала ученые решили, что ответственными за запах в молекуле являются функциональные группы, так называемые осмофоры, такие, как, например, алкогольная, фенольная или нитрогруппы.
Однако лишь эти группы еще не могут служить признаком запаха, так как известны вещества, имеющие осмофорные группы, но никаким запахом не обладающие.
Тогда было высказано предположение, что запах зависит и от структуры молекулы, в которую входят осмофоры, — эти структуры были названы осмогенами — и от характера связи между ними, (типичный осмоген — ядро бензола, который является родоначальником многих душистых веществ).
Впоследствии различные ученые эмпирически установили еще много таких «мостиков» — около сотни, связывающих запах с химическим строением. Но, несмотря на это, химической теории запаха установить не удавалось. Слишком много было нагромождено для химического объяснения запаха.
А истина большей частью проста. Кроме того, значительным препятствием к признанию химической теории служил и тот факт, что химики, создавая искусственно природные душистые вещества, получили соединения, обладающие похожим запахом, но имеющие различное строение; и наоборот — вещества с близким строением имели совершенно различные запахи.
Очевидно, разгадку следовало искать не в химическом строении, а в чем-то другом.
Химическая или физическая природа запаха
Первым, кто высказал рациональную идею об истинной природе запаха, идею, к которой сегодня пришло большинство ученых, был гениальный М. В. Ломоносов. Еще в 1765 году он писал о колебательных (коловратных) движениях частиц эфира как о возбудителе органов чувств, в том числе зрения и обоняния.
Последующие сто пятьдесят лет ученые занимались основном тем, что уходили от этой идеи в противоположную — химическую сторону. И только в последнее время они стали все больше склоняться к убеждению, что запах связан с электромагнитными колебаниями молекул.
Но только ли разочарования привели ученых к мысли о физической природе запахов? Не похоже ли это на доказательство способом от противного: раз не химия — значит, физика?
Нет, не только. К этим выводам ученые пришли, отталкиваясь и от некоторых позитивных фактов. К ним относятся в первую очередь явление комбинационного рассеяния света молекулами пахучих веществ и их особое отношение к ультрафиолетовым и инфракрасным лучам.
Останавливаться на этом подробно здесь не имеет смысла, заметим только, что подобные данные помогли на править поиски в нужную сторону.
Подводные рифы теории обоняния
Но и на этом, казалось бы, верном пути ученых ожидало не мало подводных рифов. И если некоторые из них преодолевались научной мыслью относительно легко, то были и такие, которые не удавалось обойти сразу.
Одним из таких рифов, на который на долгое время, как на мель, сел корабль физической теории обоняния, был вопрос о механизме возбуждения нервного импульса. В самом деле, каким образом слабые колебания молекул пахучих веществ улавливаются нервными окончаниями обонятельных рецепторов?
Химическая теория запаха давала этому объяснение, пусть не совсем очевидное, но все же давала. Согласно ей, возбудителем нервных элементов являются продукты химического взаимодействия пахучих веществ с клеточными белками. А что могла предложить в ответ физическая теория?
Сначала ничего убедительного. Но позже, когда результате работ различных ученых появились новые биофизические взгляды и кванто — химические представления, волны этого мощного прилива современных идей сняли корабль физической теории мели.
Недостающие звено
Итак, понадобилась помощь смежных наук. Это закономерно. Процессы, протекающие в нашем организме, взаимосвязаны, они представляют собой звенья одной и той же цепи. И естественно, держа в своих руках два крупных звена, ученым легче подобрать к ним среднее, недостающее.
Это похоже на кроссворд: отдельные буквы искомого слова, полученные при отгадывании смежных слов, помогают проверить ответ. Так произошло и теории обоняния.
Условно ее можно разделить на три части:
первая — это вопрос о том, чем «выражается» запах,
вторая — как он передается обонятельным рецепторам и, наконец,
третья — как это «сообщение» доходит до обонятельных центров головного мозга.
Ответы на первый и третий вопросы были получены раньше, чем на второй; возможно, без них второй ответ вообще бы не родился.
Располагая двумя звеньями, ученые могли проверить правильность недостающего: конец одного служил началом другому. И обратно: если звено хорошо укладывалось в общую цепь, это подтверждало и правильность выбора крайних звеньев.
Информация о запахе
Механизм выражения запаха молекулами пахучих веществ можно считать более или менее общепризнанным. Это — низкочастотные колебания, лежащие в далекой инфракрасной области спектра. Так как из попыток установить связь между химическим строением вещества и его запахом ничего не вышло, эти колебания должны быть эффектом всей молекулы, а не отдельных ее групп.
Группы, может быть, и вносят свой «вклад» в запах, но в пределах общей архитектуры молекулы. Так же можно считать достаточно вероятным и предложенный механизм передачи нервного импульса от рецепторов к головному мозгу.
Клетки головного мозга соединены с нервными окончаниями «кабелями» — нервными волокнами. Волокна эти представляют собой очень длинные полые трубки с диаметром от 83 стотысячных до 83 сотых миллиметра. Они несут на своей поверхности электрические заряды: на внутренней – отрицательный, на внешней – положительный.
Сущность нервного возбуждения заключается в перезарядке этого двойного электрического слоя. Под влиянием возбуждения заряды на какое-то мгновение меняют знаки, а потом возвращаются в исходное положение. Для того, чтобы вызвать перезарядку, требуется определенная величина сигнала.
Но вот что интересно: сколько бы ни пытались превышать эту величину сигнала, импульс будет один и тот же. Иными словами, импульс возникает по закону «все или ничего». Точно так, как громкость звонка в квартире не увеличится от того, если сильнее нажимать на кнопку. Важно, чтобы ваше усилие было достаточным для замыкания контакта.
Но если представить себе нервное волокно как простой телеграфный кабель, по которому молекулы пахучих веществ посылают «телеграммы» головному мозгу, это не объяснило бы особой проводимости волокон. Ведь известно, что наши нервные волокна — очень неважные проводники, в них сигнал, пройдя пять миллиметров от «передаточной станции», полностью затухает.
Поэтому на самом деле устройство нервных волокон сложнее. Это не просто кабель, это целая система, включающая в себя цель «релейных станций». Эти станции, расположенные вдоль кабеля, усиливают затухающий сигнал, передают его от одной точки к другой, там он, уже ослабевший, усиливается следующей релейной станцией и так далее.
Таким способом нервный импульс, несущий информацию о запахе, прерывисто, с помощью специального электрохимического релейного механизма, пересекает огромные для него расстояния за миллионные доли секунды.
Шифрованные телеграммы запаха
Но теперь возникает другой, не менее важный вопрос: каким же образом природа ухитряется зашифровывать свойства запаха — его силу и оттенок? Ведь величина возбуждения не влияет на силу сигнала.
Для ответа на этот вопрос ученым пришлось потратить немало усилий на то, чтобы разобраться в «телеграфном хозяйстве» человеческого организма.
Нервный импульс, всегда одинаковый по величине, можно представить, как элемент шифровального кода. Различные сочетания этих элементов зашифровать любую, самую сложную телеграмму. В нашем организме от обонятельных органов к головному мозгу проложено около 45 тысяч каналов связи — нервных волокон, по которым может идти передача информации.
И в зависимости от того, какие каналы подключаются к передаче и с чем они соединяются на приемной и передаточной станциях может меняться смысл передаваемой информации. И даже в пределах одного кабеля — нервного волокна этот смысл можно варьировать изменением промежутков между двумя следующими друг за другом импульсами.
Таким образом, информационные возможности нашей обонятельной системы поистине колоссальны. Достаточно сказать, что с помощью этого шифра можно передать свыше 16 миллионов различных «сообщений» о характере запаха. Этого более чем достаточно для того, чтобы «описать» любой из существующих в природе запахов.
Исследуя этот очень интересный механизм передачи нервного импульса, ученые установили следующую закономерность. Для того, чтобы возбудить в нерве нормальный электрический сигнал, совершенно не требуется точно такое же по величине возбуждение, для этого, достаточно и десяти процентов возникающего в нерве тока. То есть причина возбуждения может быть значительно слабее его следствия.
Это очень важный вывод. Ведь одним из основных возражений против физической теории было кажущееся очевидным положение, что сравнительно небольшой квант энергии, соответствующий колебаниям в далекой инфракрасной области, не может вызвать появления нервного импульса значительно большей энергии. А оказалось очевидное не так уж очевидно. К тому же усиление возбуждения происходит и при самой «подаче телеграммы».
Молекулы в работе
Начнем с одной существенной детали, хотя поначалу она может показаться и не столь уж важной. В нервных окончаниях присутствует обонятельный пигмент, окрашенный в довольно темный желто — коричневый цвет. Состав его пока еще неизвестен, но можно предположить, что в его молекулах, как и вообще в пигментированных молекулах, имеется много сопряженных хромофорных связей или групп.
Значит, в молекуле присутствуют слабо связанные электроны. А их уже не трудно возбудить сравнительно небольшими квантами света в видимой области. При возвращении из возбужденного состояния в обычное, электроны отдают полученную энергию, и это характеризует цвет пигмента.
Об этих достаточно известных вещах, может быть, и не стоило бы подробно говорить, если бы они не давали ключа к пониманию тех удивительных процессов, которые происходят, как считают авторы этой гипотезы, при возбуждении обонятельного нервного импульса.
Ученые полагают, что возбуждение электронов молекул пигмента может случиться не только под действием кванта света, но и при химическом взаимодействии. Тот факт, что они окрашены, говорит о том, что их гораздо легче возбудить, чем соседние с ними неокрашенные молекулы. А возвращение из возбужденного состояния в обычное может обеспечить то перераспределение заряда, которое необходимо для возбуждения нервного импульса.
Это становится объяснимым и понятным, если предположить возбужденное состояние более полярным, чем основное. Тогда при переходе действительно будет происходить локальная деполяризация хромофорных групп.
Так как этот разряд молекулярных диполей происходит в очень маленьких обонятельных волосках, то ясно, что разряд всего даже нескольких молекул может вызвать необходимый нервный импульс.
Теперь осталось самое важное: показать, каким, образом приближение к нервному окончанию пахнущей молекулы, колеблющейся с определенной частотой, может вызвать такую дезактивацию.
Химический светофор
В принципе возвращение молекул из возбужденного состояния в обычное могло бы легко происходить под действием излучения, если бы… это было всегда разрешено. Но сама природа химической связи, как строгая гувернантка, позволяет это далеко не всегда.
Если переход с одного колебательного уровня на другой «не разрешен», если химический светофор показывает красный свет, электронам ничего не остается, как ждать, пока загорится зеленый.
В этом отношении они более дисциплинированны, чем люди. Но что может разрешить этот переход, кто включит зеленый свет? Оказывается, сама пахнущая молекула.
Из физики хорошо известно, что две приблизительно одинаковые колебательные частоты, складываясь, дают две частоты: одну немного выше, другую немного ниже исходных. Аналогичное явление может происходить и при взаимодействии колеблющейся молекулы исходного вещества и молекулы резонатора. Но только в том случае, если они имеют почти одинаковую частоту и достаточно близки друг к другу.
В науке это явление известно под названием резонанса Ферми. Так рот, колебания пахучей молекулы, складываясь с колебаниями молекулы рецепторного пигмента, усиливают их, а это усиление частоты, этот резонанс способен переменить красный свет на зеленый, разрешить электронам переход из возбужденного состояния в обычный, то есть в конечном счете вызвать нервный импульс.
Подведем итог. Молекула пахучего вещества, попадая в нос, выбирает себе рецептор, пигментированные молекулы которого колеблются с близкой ей частотой. Резонируя с одной из них, она помогает электронам вернуться из возбужденного состояния в обычное и этим вызывает перезарядку электрического слоя, то есть в итоге нервный импульс.
Сочетанием различных сигналов, поступающих от разных рецепторов по разным каналам к головному мозгу, передается, очевидно, та информация, которая воспринимается нами как совершенно определенная картина запаха.
Так, согласно новейшим гипотезам ученых, работает наша своеобразная «радиотелеграфная система» обоняния.
Гипотезы и теории ученых
Эти гипотезы, подтвержденные, правда, расчетами и экспериментами, привели физическую теорию запаха к недостающему ей звену. Они укладываются в те современные представления, которыми располагают сейчас химия, физика биология, и вместе с тем достаточно хорошо перекликаются между собой, создавая в общем довольно стройную картину возникновения, передачи и ощущения различных запахов.
В частности, одной из очень интересных и перспективных особенностей новой гипотезы обонятельного возбуждения является та параллель, которую она проводит между природой обоняния и зрения. Эти далеко идущие предположения отражают не только близкую физическую сущность органов зрения и обоняния, но и их возможную эволюцию из одной и той же обычной чувствительной поверхности.
Очевидно, не случайно еще великий Ломоносов говорил об одинаковой природе зрения и обоняния. Однако, несмотря на убедительность предложенного механизма, эти предположения пока еще не вышли за рамки гипотез.
Существует еще немало невыясненных или недостаточно моментов, которые еще не позволяют нам говорить о теории запаха. Очевидно, потребуются дополнительные усилия ученых, прежде чем гипотезы превратятся в теории. К тому же и между самими учеными еще не всегда и не во всем существует полное согласие.
Но все тайное рано или поздно неизбежно становится явным. Это в полной мере относится и к тайне запаха, которая вот уже тысячелетия занимает умы людей. И если сегодня мы еще не полностью разобрались в одном из пяти наших чувств, то уже недалек тот лень, когда под мощным натиском современной науки падет еще один бастион неизвестности, и тайна запаха перестанет существовать.
Запахи, которые вызывают воспоминания
Человек способен распознает множество запахов. Например, запах печенья состоит из множества молекул запаха. Мозг может «собрать» воедино всю эту информацию и сообщить, что в духовке выпекается печенье.
Наш мозг очень хорошо запоминает хорошие и плохие переживания и связывает с ними определенные запахи. Ученые называют это «воспоминаниями, связанными с обонянием».
Один из примеров – это запах любимого блюда. Это может напоминать вам о ком-то, кто готовит его для вас. Запах заставляет мозг выделять химические вещества, которые способствуют комфортному состоянию.
Конечно, запах также может быть связан с неприятными переживаниями.
Вы, вероятно, ели пищу, которая испортилась, и теперь вы можете легко обнаружить эту еду по запаху. Это ваш мозг, который ассоциирует заболевание с определенным запахом, помешает есть что-то, что может быть вредным.
Запах многое говорит об окружающей среде, а ваши инстинкты помогают решить, что безопасно, а что опасно. Запах может предупредить, когда что-то может вызвать отравление.
Например, когда яйца не свежие, внутри них размножаются бактерии, разрушая белки, которые выделяют токсичное химическое вещество, называемое сероводородом. Это вызывает зловоние, которое заставляет держаться подальше, не дает съесть пропавшее яйцо и заболеть.
Почему так приятно пахнет свежескошенной травой?
Этот резкий запах можно узнать сразу, когда кто-то косит лужайку. Но что мы чувствуем на самом деле, когда вдыхаем запах свежескошенной травы? И почему нам это так нравится?
С химической точки зрения, этот классический запах свежескошенной травы представляет собой переносимую по воздуху смесь углеродных соединений, называемых летучими веществами зеленых листьев или GLV. Растения часто выделяют эти молекулы при повреждении насекомыми, инфекциями или механическим воздействием — например, газонокосилкой.
Люди обычно не едят траву или насекомых на ней, но GLV, выделяемые травой, не сильно отличаются от тех растений, которые мы действительно считаем вкусными.
Это означает, что у нас есть веские причины быть чувствительными к этому запаху. Ученые установили, что практически все свежие овощи имеют букет GLV, фрукты также могут выделять GLV, когда они размягчаются, а мембраны клеток внутри них разрушаются.
На протяжении всей эволюционной истории человек использовал эту информацию, чтобы узнать, когда что-то созрело и пригодно к пище.
Видео: Пион распускается
Риск и наука о риске
