Химический анализ у нас в носу

Молекулы переносят запахи

Сильный, всепроникающий аромат жарящегося кофе, сокрушительный запах средства после бритья от сидящего напротив мужчины в автобусе, отвратительная вонь сточной канавы… – все это влияние молекул, плавающих в воздухе: они пробираются к нам в ноздри и вступают во взаимодействие с нервными окончаниями – крошечными анатомическими структурами, задача которых за доли секунды выявить раздражитель, определить его и сообщить о нем мозгу.

Наш разум переводит разнообразные химические соединения на язык запахов – их спектр поистине впечатляет. Обоняние – самый легкий способ оценить красоту химии: с его помощью мы «видим» молекулы. Только попробуйте представить себе, как они передают аромат жасмина, вкус спелого плода, шипящего на сковородке бекона и жареной картошки, букет старого вина… По контрасту с плоскими, невыразительными химическими формулами в учебнике молекулы вдруг обретают жизнь и цвет: кислород становится красным, азот – синим, сера – желтой… Все это танцует вокруг вас ансамблем, и каждая его составляющая обладает собственной индивидуальностью – своим неповторимым запахом.

Впрочем, молекулы лишь одна сторона комплексного процесса, результатом которого становится запах. Запахи – это физические ощущения, а не просто химические формулы. Аромат рождается, когда молекулы вступают во взаимодействие с носом; его бы попросту не возникло, не будь у нас обонятельного органа.

Поэтому важно понимать, каким образом наш нос читает и декодирует химические послания, доставляемые молекулами через воздух, и какие именно молекулярные соединения он преобразует в те запахи, которые мы в итоге воспринимаем. Запах нельзя считать таким же неотъемлемым свойством молекулы, как, допустим, ее молекулярная масса или растворимость: запах – это лишь результат взаимодействия между пахучим веществом и конкретной системой восприятия.

Во второй половине XX века ученые, исследовавшие обоняние, на протяжении нескольких десятилетий пытались определить, какие молекулы лучше всего соотносятся с теми или иными ольфакторными характеристиками. У этих поисков была грандиозная цель: открыть тайные механизмы, при помощи которых человеческий нос различает многочисленные молекулы пахучих веществ, и тем самым взломать ольфакторный код. Ученые получили огромное количество данных и сумели заложить прочную основу для понимания того, как связаны между собой запах и химическая структура вещества.

Запахи благовонные и зловонные

Столкнувшись с запахом, мы тут же спонтанно принимаем его или, наоборот, отвергаем. Не успев толком понять, что у нас в носу происходят какие-то интересные процессы (не говоря уже о том, чтобы идентифицировать запах), мы уже подсознательно решаем, нравится он нам или нет. Ольфакторные послания ловко обходят рациональный анализ и устремляются непосредственно к тем областям мозга, которые отвечают за инстинктивное поведение.

Запахи цветов и фруктов приятны и упоительны для всех без исключения; ароматы жарящегося мяса и свежевыпеченного хлеба пленительны и аппетитны. По контрасту с ними вонь мочи, гнилостный запах несвежей пищи или прогорклого жира мгновенно вызывают отвращение. Наша реакция на них, скорее всего, носит врожденный характер и представляет собой своего рода защитный механизм, не дающий нам съесть вредную для здоровья еду или помогающий избежать опасной ситуации.

Помимо этих особых случаев нашу реакцию на запахи часто определяет прошлый опыт и те ассоциативные связи, которые у нас установились между ольфакторными воспоминаниями и ситуациями, в которых они возникли. Иногда вкус и запах какого-то конкретного блюда нравятся нам потому, что напоминают о детстве. Или, например, мы ненавидим запах земляники только из-за того, что так пахло лекарство, которое нас когда-то заставляли принимать.

Гедонические свойства запаха напрямую зависят от его интенсивности. Обонятельные образы, возникающие в мозгу, очень конкретны и вызывают воспоминания и эмоции только тогда, когда в точности соответствуют тем паттернам, что хранятся у нас в памяти и ассоциируются с определенным опытом. Какой-нибудь вторичный ингредиент, случайно обнаружившийся в знакомом блюде (например, особая пряная травка), способен мгновенно вызвать к жизни целую счастливую картину, воспоминание о которой хранилось где-то в отдаленных кладовых памяти.

Этот эффект бывает настолько сильным, что даже отталкивающие ароматы могут казаться приятными и желанными, когда связываются с особенно хорошими эпизодами прошлого. Очень распространенный пример – запах навоза, способный напомнить жителям современного города о природе, деревне и чистой окружающей среде.

Запахи как химические послания

Давайте попробуем проследить жизнь ольфакторного сигнала в развитии: от молекулы, переносящей некий пакет химической информации, до осознанного восприятия запаха. Первым делом нужно рассмотреть структуру молекул и попробовать выявить их скрытые обонятельные свойства.

Прежде всего оговорим еще раз, что запахи переносятся молекулами, которые проникают к нам в нос и физически взаимодействуют там с обонятельными рецепторами. Сама идея, что прямо у нас в носу оказалось что-то дурнопахнущее, может кого-то привести в ужас – и, как ни досадно, именно это и происходит в действительности. Но пусть вас успокоит мысль, что это всего лишь несколько молекул: их и в самом деле вполне достаточно, чтобы вызвать обонятельные ощущения. Это так мало, что даже самые продвинутые и чувствительные аналитические инструменты не сумели бы их засечь. Сколь бы беден и немощен ни был наш обонятельный аппарат в сравнении с тем, которым оснащено большинство биологических видов, более точного аналитического инструмента для ловли запахов в окружающем пространстве наука нам пока не предоставила.

Второй шаг в этом увлекательном процессе – понять, как именно нос распознает те или иные химические соединения. Мы сравнили обонятельную систему человека с лабораторным оборудованием, – следовательно, вопрос можно сформулировать так: как именно это оборудование осуществляет химический анализ?

Для расшифровки ольфакторного языка нам потребуются ответы еще на два вида вопроса. Во-первых, мы должны хорошо себе представлять, как устроены молекулы одорантов и как от их структуры зависит запах. Во-вторых, необходимо знать, какими биохимическими механизмами пользуется обонятельная система для перевода закодированных в этой структуре химических данных в образы и эмоции.

И то и другое очень важно. Давайте проведем параллель с другим типом сенсорного восприятия. Чтобы разобраться, как мы воспринимаем различные цвета, нужно обладать базовыми знаниями не только о природе и свойствах света, но и о спектре волн, к которому чувствителен человеческий глаз. Вдобавок необходимо знать, сколько типов фоторецепторов имеется у человека в сетчатке, как они реагируют на различные участки спектра и, наконец, как конкретный воспринимаемый цвет связан с длиной световой волны.

Вот и к изучению обонятельной системы нужно подходить примерно так же: исследовать молекулы одорантов и пытаться выявить их структурные параметры, которые нос считает самыми важными и которые можно соотнести с теми или иными ароматическими свойствами.

На самом деле такими вопросами человек задавался с древнейших времен. Обонятельные реакции носят мгновенный характер и охватывают все аспекты жизни, – неудивительно, что столь яркие ощущения всегда вызывали любопытство и желание понять, как и откуда они берутся.

Мысль о том, что летучие молекулы физически взаимодействуют с обонятельным органом, в целом приняли не так уж давно. Более ранние теории пытались объяснить ольфакцию, например, тем, что молекулы пахучего вещества создают некое излучение наподобие звука и света и тем самым стимулируют обонятельные рецепторы на расстоянии. Наука списала эти теории в утиль естественным образом, после того как биохимия и молекулярная биология открыли белки, способные распознавать молекулы одоранта, взаимодействуя с ними непосредственно. Любопытно, что в пику всем этим умозрительным концепциям Лукреций еще в I веке до н. э. написал трактат «О природе вещей», основанный на учении Эпикура, где выдвинул предположение, что обонятельные ощущения возникают вследствие контакта крошечных частиц пахучего вещества с человеческим носом.

Хотя само понятие молекул в те времена не было еще развито, это не так уж далеко от нашего современного понимания вопроса. Более того, в своем анализе обоняния Лукреций пошел еще дальше и высказал некоторые идеи, которые подтвердились лишь недавно благодаря новейшим биохимическим исследованиям. Так, он предположил, что разные обонятельные характеристики веществ могут зависеть от формы тех самых крошечных частиц: частицы с гладкой поверхностью порождают приятные ароматы, а шершавые и колючие – запахи грубые и отвратительные. Только в 1960-е годы форма молекул действительно была признана решающим фактором, определяющим запах.

В следующем разделе мы с вами рассмотрим несколько простейших молекул одорантов и попробуем выявить физические и химические характеристики, коррелирующие со свойствами запаха. Проще говоря, мы сосредоточим наше внимание на том, какую роль играют стереохимические параметры молекулы, такие как размер и форма. Наши эксперименты будут основаны на знакомых запахах, встречающихся в повседневной жизни.