Расшифровываем химический язык обоняния

 

 

Сложность ольфакторной информации

 

Обоняние и правда напоминает сложный язык. Повествование на нем состоит из фраз, а фразы – из слов, которые умеют соединяться друг с другом, открывая беспредельные выразительные возможности. Понятное дело, неологизмам и заимствованиям из других языков в нем тоже найдется место. Новые синтетические молекулы с беспрецедентными запахами отлично справятся с такой ролью. Грамматика и синтаксис в нем тоже есть, так как химическим веществам свойственно вызывать разные перцептивные и поведенческие реакции в разном контексте. Даже наша эмоциональная реакция на запах напрямую зависит от ситуации, в которой мы с ним столкнулись. Помните изовалериановую кислоту (и другие жирные кислоты вместе с ней)? Ее запах кажется отвратительным, когда его источник – индивидуум, плохо знакомый с водой и мылом, но совершенно чудесным, если так пахнет какой-нибудь деликатесный сыр.

А диалекты! А идиомы! А слова и выражения, обладающие чуть-чуть разным смыслом в разных кластерах общества! Ведь все мы слышим запахи по-разному. В первой главе мы уже говорили о специфической аносмии – это очень разнообразная и широко распространенная особенность, от которой непосредственно зависит наше восприятие ароматов. Сформулируем проще: наша индивидуальная чувствительность и нечувствительность к разным базовым запахам дает на выходе совершенно разные ольфакторные картины и, как следствие, разные физические ощущения.

Тот же букет вина можно представить себе как стихотворение, в котором слова (летучие соединения) сочетаются друг с другом совершенно определенным образом и сами, в свою очередь, состоят из расположенных наиболее гармоничным способом букв алфавита (элементарные взаимодействия со специфическими рецепторами), выбранных и расположенных так, чтобы передавать определенный смысл. С такой точки зрения совершенно неудивительно, что разные люди предпочитают разные вина и вообще разную еду.

Если такие комплексные механизмы имеются в обонянии человека, что и говорить о других биологических видах! Большинство из них не разработали такой изощренной звуковой коммуникации, как у нас, и место идиом у них занимает химическая информация, достигающая временами высочайших уровней сложности. Это особенно верно для социальных животных, таких как медоносные пчелы, муравьи и термиты, которые живут крупными сообществами, организованными по строжайшим правилам внутривидовой иерархии, где у каждого есть свои задачи. В таких сообществах на обонятельных сигналах строится распознавание не только самих социальных каст, но и их обязанностей, и правил, регулирующих общественную жизнь. Этими же сигналами передается бытовая информация, касающаяся еды, заботы о личинках, присутствия особей чужих видов или других источников опасности и т. д. Молекулы буквально играют роль слов: каждая обладает своим особым значением и каждая представляет собой часть более сложного смыслового целого.

Можно предположить, что, как и в более привычном нам звуковом языке, одно и то же слово языка химического может обладать разным смыслом в зависимости от контекста. Да, это звучит довольно невероятно в применении к столь примитивным видам, но это действительно так. Наука знает несколько примеров того, как один и тот же феромон может вызывать разные поведенческие реакции в зависимости от присутствия рядом других ольфакторных стимулов или дополнительной информации, приходящей через другие сенсорные модальности – например, через зрение или слух.

 

Взлом ольфакторного кода

 

Итак, если мы хотим добраться до самой сути обоняния и разгадать его секреты – а значит, понять, почему линалоол пахнет цветами, а октенол – грибами, – нам придется взломать ольфакторный код и выучить алфавит этого химического языка.

Взлом ольфакторного кода чем-то похож на попытку расшифровать древнюю рукопись на незнакомом языке. В работе такого рода мы обычно сталкиваемся с двумя типами проблем: самим языком и его письменными символами. Иногда один из этих двух элементов нам уже знаком – но не всегда. Так, скажем, этруски в своей письменности пользовались греческим алфавитом, но сам их язык до совсем недавнего времени оставался непонятным. И наоборот, шифрованное письмо вполне может быть написано на английском, но, чтобы понять его, придется сперва разгадать смысл каждого символа. В худшем – и самом безнадежном – случае нам неизвестен ни сам тип языка (а значит, непонятен его грамматический строй и значения слов), ни назначение отдельно взятых символов. Это алфавитное письмо, слоговое или иероглифическое? Именно так до 50-х годов XX века обстояло дело с линейным письмом Б древнего Крита. И так оно обстоит до сих пор с линейным письмом А.

Но вернемся к типу языка. Столкнувшись с незнакомым текстом, первый вопрос, которым мы должны задаться: на каком языке он написан? Это алфавитный язык наподобие английского и большинства других современных языков? Или силлабический, как японский? Или идеограмматический, как китайский? В свое время Шампольон сумел расшифровать египетские иероглифы благодаря интуиции: он решил, что, вопреки бытовавшему в те времена мнению, эти картинки представляют собой не пиктограммы, а алфавитные знаки – иными словами, обозначают звуки, а не понятия. После этого все стало гораздо проще: сначала распознаём присутствующие в тексте имена людей, а потом, одну за другой, – буквы алфавита.

При помощи сходной логики химики подошли и к расшифровке языка запахов. Они сформулировали гипотезы и верифицировали их, соотнося с непосредственным обонятельным опытом, и так провели параллели между знакомыми, четко определенными типами ароматов и структурными параметрами одорантов. Это было похоже на расшифровку химического Розеттского камня!

Итак, переформулируем первый вопрос: каковы молекулярные параметры, которые наш нос (или любая другая обонятельная система) считает необходимыми для расшифровки ольфакторного послания?

Для описания молекулы мы можем воспользоваться физическими (температура плавления, температура кипения, рефракционный индекс, растворимость, цвет), химическими (кислотность, способность к окислению или восстановлению, избирательная реактивность по отношению к тем или иным веществам) или структурными характеристиками (размер, форма, природа и расположение функциональных групп). Так какие же из этих аспектов релевантны с точки зрения носа? Какие будут распознаваться ольфакторными рецепторами? Какие, следовательно, помогут нам предсказать запах вещества? Разумеется, подходят далеко не все. Так вот, определив, какие молекулярные свойства теснее всего связаны с запахом, мы сделаем первый – и огромный – шаг к пониманию того, какого типа язык нужен для химической коммуникации.

 

Как можно поделиться ольфакторным опытом?

 

Первым нашим инструментом должна стать система классификации запахов, которая позволит группировать их осмысленным образом, устанавливая дистанции и взаимосвязи. Однако тут же возникает непредвиденная трудность: поделиться ольфакторным опытом весьма непросто. Чтобы классифицировать запахи, нам нужна терминология – определения, ключевые слова, которые позволят обмениваться ощущениями и сравнивать их. Это могут быть совершенно простые, бытовые термины, которыми человек всегда пользовался для описания повседневных объектов и явлений. Мы говорим об аромате яблок, жасмина, орехов, жареного мяса, сырой земли, свежевыпеченного хлеба, ванили – и собеседники превосходно нас понимают. Все эти обороты не пытаются дать определение субъективному ольфакторному восприятию, а просто называют источник запаха.

К точно такой же стратегии мы прибегаем и в других ситуациях – например, когда хотим рассказать о цвете. Небесно-голубой, лиственно-зеленый, лимонно-желтый, кроваво-красный… Или вот вам еще один цвет: кирпично-красный. Во всех этих случаях мы уточняем оттенок, указывая на предмет или явление, которое им обладает.

Неудивительно, что мы пользуемся самыми обычными и хорошо всем известными объектами для определения запахов, которые куда многочисленнее и разнообразнее цветов. Хотя все запахи переносятся молекулами, нам никогда не придет в голову описать запах банана как амилацетат или грибов – как октенол. Но привычный нам способ передачи обонятельного опыта через вызвавшее его явление довольно груб и неточен. На самом деле каждый человек воспринимает один и тот же химикат или смесь химикатов своим собственным неповторимым способом (хотя, как правило, эти способы во многом схожи). Так же и в музыке: одни и те же написанные на бумаге ноты можно сыграть и истолковать совершенно по-разному, чем и занимаются на практике исполнители и дирижеры.

С лингвистической точки зрения уместно будет сравнить этот феномен с древними текстами народности наши (их еще называют донгба), которая населяет северный регион Юньнань в Китае. Предки современных донгба пользовались пиктограммами: они не писали слова, а сразу обозначали понятия. Где-то в середине 90-х годов XX века увидел свет донгба-китайский словарь; в нем были даны объяснения каждой пиктограммы, а не точные их переводы. Так вот, наши сборники ароматических описаний – например, классический Арктандер [1], – в которых запахи ассоциируются с химическими соединениями, представляют собой примерно такие же словари.

Описывая запахи и давая имена ольфакторным переживаниям, мы делаем огромный шаг к пониманию взаимосвязей между химической структурой и запахом. Бывает, что мы находим два очень похожих запаха и сразу принимаемся искать черты сходства в их молекулярной структуре. Первым этапом на пути научной организации обонятельного опыта как раз и стала попытка сгруппировать типы запахов в семейства и понять, что общего между их членами на уровне молекулярного строения.

Эта методика заставила ученых придумать ряд классификаций, основанных на некотором количестве базовых запахов – в этом контексте их называют основными ароматами, по аналогии с основными цветами нашей визуальной системы [2]. Это был основной тренд исследований в области обоняния в 60–70-х годах XX века, до того как в дело вмешалась новая научная отрасль – биохимия.

Несколько групп ученых предложили свои версии таких списков, базирующихся на повседневном эмпирическом опыте. Увы, они так и не смогли прийти к единому мнению даже относительно количества этих основных ароматов: одни насчитывали всего семь, другие – целых 50. Но даже самый длинный список все равно отставал от нескольких сотен типов ольфакторных рецепторов, которые в скором будущем открыла молекулярная биология.

По контрасту с такой пугающей сложностью ольфакторного кода со вкусом у нас все невероятно просто: вкусовых ощущений мы знаем всего пять. Именно благодаря этой незамысловатости алфавит вкусового кода был расшифрован еще в древние времена – до того, как за дело взялась наука. Классификация вкусов по четырем категориям – сладкий, горький, соленый, кислый – не менялась веками и лишь недавно полностью подтвердилась данными молекулярной биологии. Пятый основной вкус, именуемый японским словом умами, и соответствующий ему избирательный рецептор добавили в систему в самое последнее время: это знакомый и характерный белковый вкус мясного бульона, ранее считавшийся результатом одновременной стимуляции сладкого и соленого рецепторов. Эта вкусовая модальность реагирует на некоторые аминокислоты – прежде всего на глутаминовую. Любопытно, что, еще до того как умами признали пятым вкусом, восточная кулинария веками добавляла глутамат в супы и прочие блюда, чтобы сделать их аппетитнее. На Западе вместо него используются концентраты мясного бульона, в которых глутамат тоже служит одним из основных ингредиентов.

Итак, вкусовой и цветовой код объединяет простота. Именно благодаря ей эти коды удалось расшифровать чисто эмпирическим путем и задолго до эпохи научных исследований. Эта же самая простота мастерски обманула ученых, вообразивших, что и обоняние может строиться на столь же несложной системе.

Между тем классифицировать запахи и декодировать их химический язык оказалось необыкновенно трудно – одно это уже должно было навести нас на мысль, что ольфакторный код гораздо сложнее и основан на куда большем количестве элементарных обонятельных ощущений. Ученые очень долго отвергали саму идею, что у нас в носу есть сотни разных ольфакторных рецепторов, считая ее маловероятной и, что еще важнее, неэкономичной. В конце концов, обоняние не так важно, как зрение (по крайней мере, у людей), так с чего бы природе вкладывать столько энергии в синтез сотен белков, способных распознавать запахи, когда для различения цветов хватает всего трех рецепторов?

Возьмем вкус: он осуществляет примерно такую же задачу – анализирует химический состав окружающей среды при помощи крайне ограниченного количества сенсоров. Очень простое, экономичное и эстетически куда более привлекательное решение!

Да, наше эстетическое чувство вообще очень сильно влияет на то, как мы воспринимаем природу, и не дает анализировать экспериментальные данные с достаточной объективностью. С другой стороны, некоторые наблюдения вполне подтверждают ту гипотезу, что природа устроена красиво и просто. Двойная спираль ДНК – типичный пример такой красоты и простоты. Важнейшее ее свойство – умение умножать себя – непосредственным образом связано с архитектурой этой молекулы, свободной от всего лишнего, устойчивой и гармоничной, как романская церковь. Если бы понадобилось придумать самовоспроизводящуюся молекулу, вряд ли удалось бы сделать что-то проще и прекраснее четырехосновной ДНК.

Однако подчас за этим простым и красивым фасадом прячется очень сложная биология. Сложность и избыточность не всегда оправданы функционально – часто это просто промежуточный результат эволюционного процесса, который пока еще не нашел оптимальное решение. Но бывает и так, что сложность – единственный способ справиться с массой разных биологических факторов, а недостаточность знаний пока не дает нам толком оценить стоящую за всем этим логику.

Именно так обстоит дело с обонянием, и именно поэтому у нас ушло столько времени на выявление биохимических механизмов, работающих в такой важной сфере повседневной жизни.

 

Так сколько же всего существует основных запахов?

 

Как мы уже говорили, стремление ученых упрощать, группировать и строить максимально фундаментальные модели привело к разбиению запахов всего на несколько десятков элементарных ощущений – по контрасту с сотнями ольфакторных рецепторов, имеющихся у каждого млекопитающего.

На этом этапе, после того как молекулярная биология наконец выявила гены, кодирующие обонятельные рецепторы, и обнаружила, как их неожиданно много, нам придется задать себе очередной неудобный вопрос: зачем нам вообще нужна такая громоздкая и, скажем прямо, избыточная система? Ответ всегда был буквально у нас под носом – лучше уж спросить, почему мы не нашли его раньше.

Мы уже сравнивали обонятельный код со зрительным; теперь давайте обратимся еще к одной сенсорной системе – слуху. Наши органы слуха содержат несколько тысяч разных чувствительных элементов, каждый из которых настроен на определенную длину волны. Зачем нам их так много? Представьте, что вы находитесь в заполненной народом комнате и разговариваете с другом; кругом все тоже болтают, шумят, а на заднем плане, возможно, еще и играет музыка. При всем этом мы как-то умудряемся вести беседу и понимать смысл звуков, исходящих изо рта нашего визави, несмотря на высокий уровень и многообразие фонового шума. Это возможно только благодаря нашему сложному слуховому аппарату.

Если бы звуковых рецепторов у нас было всего несколько и каждый воспринимал довольно обширную часть спектра (как это устроено с цветовым зрением), мы бы слышали только некий набор усредненных сигналов, в которых все звуки были бы перемешаны в кашу, не позволяющую выделить отдельные компоненты. Для нас очень важно уметь слышать каждый звук, каждое отдельное слово, изолируя их от фонового шума, – просто чтобы поддерживать адекватную коммуникацию. Та же самая сложная система дает возможность наслаждаться звуком скрипки в оркестре или слышать, когда кто-то зовет нас по имени в метро в час пик.

Для распознавания цветов такая высокофункциональная система не нужна. Главная разница между цветовым зрением и слухом заключается в том, что цвета смешиваются, и мы в итоге воспринимаем усредненную информацию, а звуки – нет, и мы слушаем все индивидуальные первоначальные сигналы.

Все те же соображения можно применить к обонянию и химической коммуникации. Наше окружение буквально наводнено разными запахами; для нас жизненно важно уметь засечь и распознать отдельные ольфакторные послания посреди тысяч других химических стимулов. Людям обойтись без этого проще, но у почти всех других видов животных выживание зависит от правильного функционирования обонятельной системы. Хищник выслеживает добычу по запаху – и останется голодным, если не выследит; добыча сохранит себе жизнь, только если вовремя заметит присутствие хищника и сумеет остаться от него на разумном расстоянии. Самец насекомого летает по лесу и должен уметь распознать сидящую на дереве самку своего вида, которая возвещает о своем присутствии особыми феромонами. Это не слишком простая задача, учитывая, сколько кругом всяких запахов – включая и феромоны других насекомых сходных видов.

Для нас, людей, обоняние больше не входит в число жизненно важных способностей, хотя давным-давно, на заре нашей цивилизации, ситуация, скорее всего, была другой… да что там, она была другой еще совсем недавно! Сейчас мы спокойно полагаемся на срок годности, указанный на упаковке любого продукта, не слишком раздумывая, можно ли употреблять его в пищу или уже не стоит, – хотя наше обоняние вполне способно провести быстрый химический анализ в реальном времени и внятно предупредить, если пища хотя бы немного заражена или в ней начались пока еще скрытые реакции распада.

Мы до сих пор пользуемся обонянием, чтобы засечь утечку бытового газа или подгоревший в духовке пирог. И, понятное дело, именно оно дает нам возможность в полной мере насладиться изысканным блюдом или бокалом вина с его тончайшими оттенками аромата, вкупе создающими богатые, сложные ощущения, а не просто сливающимися в нечто неопределенное и невыразительное. Описывая вино, мы, кстати, очень уместно сравниваем его с симфонией обонятельных и вкусовых нот. Все это было бы попросту невозможно с каким-нибудь десятком ольфакторных рецепторов.

Итак, мы можем с полным правом заявить, что столь сложная обонятельная система, критически важная для выживания большинства видов животных, не простаивает зря и у нас, людей: она помогает нам наслаждаться жизнью и ценить ее радости.

Исходя из всего вышесказанного, слуховая система будет более удачным аналогом обонятельной, чем куда более простая – хотя и более эстетически привлекательная – зрительная. Однако здесь нужно понимать, что ольфакторный язык – вне всяких сомнений, более сложный, чем цветовой код, – все же уступает в комплексности, детализированности и избирательности нашей способности распознавать звуки. Получается, что обоняние пользуется стратегиями, которые находятся где-то между зрительными и слуховыми, но все же ближе к последним.

 

Психофизический метод

 

Долгий квест по дешифровке ольфакторного кода и определению базовых элементов химического языка, которые способен распознать наш нос, начинался в свое время с очень простых наблюдений и довольно грубых корреляций. На протяжении нескольких десятилетий ученые синтезировали тысячи молекул с одной-единственной целью: изучить их ароматические характеристики. Структура уже известных одорантов тоже не осталась неизменной: ее активно меняли и модифицировали, чтобы посмотреть, как это отразится на запахе.

Все эти исследования, разумеется, не смогли дать исчерпывающую расшифровку языка запахов – он до сих пор во многом остается тайной за семью печатями, – но зато породили множество очень интересных веществ, обладающих искомыми запахами, но при этом более безопасных, стабильных, простых и дешевых в производстве, чем их натуральные прототипы. Плюс к этому объединенные усилия целых поколений химиков привели к формированию обширнейшей базы данных, заложивших со временем основу для биохимического и молекулярно-биологического изучения обоняния.

Психофизический метод, которым пользовались с самого начала, был довольно примитивен. Ученые старались построить систему корреляций между молекулярной структурой и запахом, минуя все биохимические реакции и физиологические процессы, переводящие химическую информацию, закодированную в молекулах одорантов, в воспринимаемые человеком ольфакторные ощущения.

Обонятельная система человека – вся, от носа до мозга – похожа на плотно закрытый и не открывающийся черный ящик, у которого есть только входной и выходной слоты. До возникновения молекулярной биологии он так и оставался закрытым, и это вело к появлению самых разных теорий: если в одних еще имелось какое-то научное зерно, то другие были целиком и полностью плодом воображения. Ученые мужи в основном обсуждали эти умозрительные гипотезы, а не экспериментальные данные; казалось, все отчаянно боятся открыть этот ящик Пандоры: вдруг там обнаружится труп или будет снято какое-то магическое заклинание, хранящее человеческий род от беды?

Я достаточно давно вращаюсь в научных кругах и имел возможность наблюдать развитие этого научного поля, так сказать, от самых истоков. Каждый, пусть даже малейший намек на то, что находится внутри черного ящика, вызывал у нас взрыв энтузиазма. Где-то к началу 70-х годов XX века биохимия уже была устоявшейся наукой: она успела открыть и идентифицировать рецепторы для нейтротрансмиттеров и гормонов. Однако ее экспериментальные методы еще оставались довольно грубыми и требовали относительно больших объемов биологического материала. Молекулярная биология тогда только зарождалась, а об эпохе геномов даже никто и не мечтал.

Поэтому, вместо того чтобы сразу обратиться к сути проблемы и заняться изучением белков, распознающих запахи (в те времена применение биохимических методов к обонянию выглядело делом трудным и рискованным), ученые – по большей части химики-органики – исследовали механизмы ольфакторного кодирования, вообще не открывая черный ящик. Они просто допрашивали систему, стараясь задавать правильные вопросы.

Вопросы задавались в виде летучих молекул, которые отправлялись в нос с разными посланиями. Далее респонденты – владельцы носов – давали на них ответы, пользуясь вербальными описаниями, то есть делились своим обонятельным опытом с помощью обыденных слов и выражений. Сравнивая описания со структурными элементами одорантов, ученые постепенно собирали информацию о типах кодов, опираясь на которые нос считывает химическую информацию.

Мы с вами сейчас можем пройти по их следам, но уже в свете того, что узнали гораздо позднее через молекулярную биологию. Именно она снабдила нас наконец правильными инструментами, чтобы открыть черный ящик и своими глазами увидеть, что творится внутри.