Научная фантастика или реальное будущее?

 

Представьте: включаете вы телевизор или рыщете в интернете у себя на компьютере или телефоне – смотрите картинки, слышите звуки… и вдобавок чувствуете запахи. Нет, не просто читаете их описания, а реально нюхаете – к вам в нос проникают самые настоящие молекулы. Вообразите себе документальное кино о природе и в нем – ароматы цветов, дуновение морского ветра, свежий дух прерий или лесной чащи. Или кулинарное шоу, где вы собственным носом чуете готовящиеся блюда и ощущаете букет вина, когда из бутылки вынимают пробку. Наверняка вы когда-нибудь мечтали о подобных возможностях. Как же так вышло, что мы столь преуспели в передаче по воздуху образов, звуков и слов – с величайшей точностью и верностью оригиналу – и до сих пор не научились делать того же с запахами? Все дело в технологиях, еще недостаточно продвинутых для подобного рода задач?

Отчасти – да. Обонятельная система слишком сложна и изощренна, чтобы ее можно было воспроизвести с нашим нынешним инструментарием. Но главная причина здесь в том, что мы все еще очень плохо понимаем сам язык, лежащий в основе любых попыток перевода химических сообщений в воспринимаемые запахи. Это примерно как писать компьютерную программу, переводящую текст с одного языка на другой: для начала нужно научиться легко читать и досконально понимать язык оригинала.

Когда речь заходит о запахах, мы сразу становимся очень требовательными и не желаем мириться с несовершенным результатом. Воспроизведение запахов впору сравнить с переводом не просто текста, а стихотворения. Поэзия – это вам не компендиум данных или упорядоченная в виде списка информация, какую можно найти в инструкции к стиральной машине. Даже при смене языка перевод должен передавать те же эмоции, которые автор пожелал вложить в оригинал. Мы готовы смириться с блеклой или расплывчатой картинкой, если сюжет фильма достаточно увлекателен. Мы даже вытерпим скверное звуковоспроизведение (помните жуткие металлические рингтоны мобильных телефонов, пытающиеся изобразить классическую музыку? а ведь это было всего каких-нибудь десять лет назад!), но, когда дело доходит до запахов, все мы вдруг оказываемся ярыми перфекционистами и требуем высочайшей верности натуре. Запахи вызывают эмоции и будят воспоминания куда более прямо и непосредственно, чем зрительные образы и звуки. Если ольфакторный сигнал не в точности соответствует образцу, хранящемуся у нас в памяти, он просто не сработает, не даст желаемого эффекта, и никакие рационализации нам здесь не помогут – как могли бы в случае с картинками или звуками.

Давайте рассмотрим, какие данные и инструменты нужны для того, чтобы перенести запахи и обоняние в целом в цифровой мир, а заодно вспомним некоторые попытки (до сей поры решительно безуспешные) создать электронный нос или реконструировать запахи и вкусы на компьютере или в телефоне. Но, прежде чем вдаваться в сугубо технические подробности, зададимся вопросом, до какой степени электронные устройства вообще способны анализировать, передавать или воспроизводить запахи и насколько это может улучшить наш непосредственный опыт или даже жизнь в целом.

 

Готовы ли мы нюхать что угодно?

 

Далеко не всегда сообщение, содержащее визуальные и аудиальные элементы, можно дополнительно улучшить, добавив в него еще и ольфакторные. Запахи подчас более агрессивны, чем другие сенсорные стимулы: избавиться от тех, которые мы нюхать не хотим, бывает ой как нелегко. Заслышав неприятный звук или мельком заметив пугающий образ в виртуальном мире, мы можем быстренько выключить устройство, удалив раздражитель из поля внимания одним нажатием кнопки. Если нет устройства, а раздражитель пришел из реала, можно отвести взгляд от объекта, который мы не хотим видеть, или хоть как-то зажать уши, отсекая источник звука. С запахами все, увы, не так просто. Некоторые запахи способны вызывать тошноту, головную боль, приступы раздражения – особенно у высокочувствительных субъектов. Эти реакции нельзя остановить, просто убрав источник запаха. Молекулы имеют свойство задерживаться и в воздухе, и в носу; даже когда они уже исчезли, у нас все равно остается ощущение, что мы что-то нюхаем.

Впрочем, все это не способно остановить мечту, возжелавшую сделаться явью. Возможность посылать ольфакторные сообщения с той же легкостью, что картинки и звуки, уже давно не дает покоя воображению ученых. В нашем виртуальном мире мы получаем виртуальные цветы на день рождения – просто цветную картинку букета. А вот добавьте к ней соответствующий запах – и электронная открытка сразу станет и реалистичнее, и эмоционально выразительней. Рестораны могли бы включать в меню не только постановочные фото блюд, но и образцы вкуса и аромата. Что и говорить о средствах массовой информации, где магия запахов способна сделать любое рекламное объявление неотразимо желанным в обход всяких этических ограничений!

Такой массовый интерес уже вызвал к жизни немало совершенно фантастических устройств. Они плодятся как грибы после дождя и обещают настоящие чудеса, главное – придумать правильное название, чтобы оно цепляло внимание и будило фантазию. Smell-O-vision показывает ароматизированное кино. O-Phone утверждает, что способен посылать запахи через мобильные сети. Green Aria представляет зрителям живую оперу, обогащенную ароматами. Sound and Perfume goggles подсоединяются к смартфону и испускают запахи, когда рядом оказывается знакомый. Smell Screens оснащены электрическими вентиляторами, распространяющими аромат рекламируемой пищи.

И это лишь некоторые из попыток накинуть узду на запах, то и дело всплывающие в интернете. 1 апреля 2013 года в сети бомбой взорвалась настоящая сенсация: у нас наконец-то появилась возможность посылать ароматные сообщения через новое волшебное приложение под названием Google Nose. Далеко не все обратили внимание на дату релиза. Посыпались вопросы, уточнения: люди хотели знать подробности. Увы и ах, от пахучих имейлов мы все еще бесконечно далеки. Но завышенные ожидания и неиссякающий интерес к этому феномену говорят сами за себя.

 

Немного истории

 

Чтобы отыскать первые следы идеи искусственного носа, нам не придется углубляться слишком далеко в прошлое. Само название, конечно, звучит слишком претенциозно и предполагает возможности, далеко превосходящие незамысловатые функции современных устройств. Однако термины «электронный нос», «искусственный нос» или попросту «е-нос» уже просочились в речевой обиход… хотя и характеризуют в основном желанную цель, а не текущее положение вещей.

Вероятно, первое печатное упоминание об устройстве, специально сконструированном для распознавания запахов, появилось в журнале Nature в 1982 году. Авторами материала стали Кришна Персо и Джордж Додд [1]. В те времена в продаже уже имелись элементарные сенсоры, способные засечь утечку бытового газа. Технически это просто дробь из оксидированного металла, у которой меняется электрическое сопротивление при контакте с разными газами. Такие датчики реагируют на многие вещества в газообразном состоянии, но крайне неразборчиво. Однако, применив в одном приборе сразу три типа таких сенсоров, Кришна умудрился собрать систему, регистрирующую несколько разных газов.

Так появилось первое работающее устройство (пусть даже совершенно базового уровня), способное различать запахи. Основная идея была использовать комбинаторный код – впоследствии она нашла себе подтверждение в биологической модели ольфакторной системы. Проще говоря, нам нужны не избирательные сенсоры для каждого типа запаха, а скорее детекторы с широкими, перекрывающимися реакциями, способные распознавать много разных стимулов, – конечно, при условии, что мы сможем измерять получаемый от них сигнал с достаточно высокой точностью.

Первый электронный нос, собранный Кришной, по принципам работы тяготел к цветовому зрению. В обоих случаях имеется три типа сенсоров с довольно низкой избирательностью – зато с возможностью довольно точно измерять ответ.

Идея комбинаторного кода до сих пор лежит в основе любого прибора с функцией различения запахов, однако сенсоры на оксидах металлов, к несчастью, не могут обеспечить достаточную степень версатильности для работы с широким спектром запахов, с которым шутя справляется человеческий нос. Но, как бы там ни было, эта статья стала настоящей вехой в истории искусственных носов, впервые продемонстрировав, что создание такого инструмента в принципе возможно, и обозначив направление дальнейших поисков.

 

Разнообразное семейство газовых сенсоров

 

Уже на том раннем этапе изучения только что открытых белков (которые вскоре получат имя одоранто-связывающих) я носился с идеей, что они могли бы выступить в роли сенсоров для искусственного устройства распознавания запахов. Уже тогда мы знали, что белки – очень нежные молекулы и обращаться с ними нужно с большой осторожностью. Они легко могут изменить форму, что приведет к модификациям активности или полной утрате функций. Поэтому на той стадии работы мы почти сразу же отвергли гипотезу с ОСБ как слишком авантюрную и недостаточно практичную. Интересно, что самые свежие исследования искусственных устройств по мониторингу запахов сосредоточиваются именно на ОСБ как самых многообещающих сенсорах.

Если оставить в покое белки, остаются полимеры, которые попали в фокус внимания тоже благодаря счастливой случайности. Полимеры – крупные молекулы, достаточно версатильные, чтобы включать разные органические соединения; их можно синтезировать по заказу под разные задачи. Газовые сенсоры Кришны были проводниками, чье электрическое сопротивление можно наблюдать. Но органические полимеры – изоляторы, причем такие хорошие, что их широко используют для защиты и изоляции электрических проводов и в других подобных целях.

Короче, для заявленных задач нам были нужны проводящие полимеры – казалось бы, противоречие, но на самом деле мнимое. Такие материалы давно существуют, просто популярными стали лишь в последнее время. В те времена больше всего внимания уделялось полимерам на основе ацетилена – это газ, которым освещали городские улицы до изобретения электрических ламп. Вплоть до недавних пор им пользовались спелеологи, так как он позволял им долго работать автономно.

Ацетилен – очень простая молекула, всего из двух атомов углерода, соединенных тройной связью. Связь эту можно частично открыть и образовать длинную цепочку углеродов, связанных между собой попеременно одинарными и двойными связями. Такие полимеры, дополнительно сдобренные ионами, могут проводить электрический ток. Помимо того что эти молекулы очень нестабильны, для электронного носа нужно много сенсоров, а из одного проводящего полимера (скажем, полиацетилена) все равно получится только один.

Как-то раз у нас в отделе читал лекцию приехавший с визитом американский ученый. От него я узнал еще об одном классе проводящих полимеров – с длинной цепочкой, состоящей из повторяющихся пирролов. В то время на эти полимеры никто особо не обращал внимания, так как с ними было много проблем. Во-первых, слишком высокое электрическое сопротивление (чтобы их можно было использовать в качестве замены медным проводам); во-вторых, нестабильная проводимость, на которую влияли пары аммиака и другие газы. Но все эти недостатки – как раз то, что нужно для универсальных газовых сенсоров. Вдобавок пиррольное кольцо легко модифицировать, добавляя всевозможные химические группы и цепочки и добиваясь таким образом реакции на разные газы.

Вскоре после этого Кришна надолго переехал ко мне в лабораторию и занялся одоранто-связывающими белками (об этом мы говорили в главе восьмой); параллельно мы с ним принялись исследовать еще и эту тему. Мы хотели подготовить несколько производных пиррола, на основе которых можно получить ряд проводящих полимеров с разными характеристиками.

Через несколько месяцев был готов первый прототип аппарата, состоящий из 20 сенсоров и способный различать разные соединения одного химического класса (например, спирты, или кетоны, или амины), отличающиеся друг от друга всего одним-двумя атомами углерода.

Программное обеспечение, целиком написанное Кришной, работало на Commodore-64 – одном из первых домашних ПК, с ОЗУ в 64 Кбайт и кассетным магнитофоном в роли хранилища данных.

Результаты экспериментов вызвали всеобщий интерес; дальше события начали развиваться очень быстро. Кришна перебрался в Манчестерский университет, где продолжал совершенствовать электронный нос. Вскоре устройство пошло в продажу. Прототип показали в лондонском Музее науки, а компактную версию установили на космической станции «МИР», где она несколько лет прилежно собирала данные [2].

 

Простые устройства и их применение

 

Многие лаборатории приступили к работе над электронными носами – большинство выбрали в качестве регистрирующих элементов наборы проводящих полимеров, иногда в сочетании с газовыми сенсорами на оксидах металлов. Было основано несколько новых компаний; некоторые из них продолжают работу и по сей день. Название «искусственный» или «электронный нос» так понравилось публике, что заменять его более реалистичным никто не стал.

У таких устройств, конечно, есть ряд преимуществ и просто интересных характеристик. Они, как правило, вполне способны произвести анализ газовой среды в реальном времени и без необходимости разделять смесь на компоненты. В этом они похожи на биологический хемодетектор. Им нашлось немало полезных применений – например, в предварительном скрининге большой выборки образцов, после которого нужно выделить несколько для более точного и специфицированного анализа. Также их используют в мониторинге окружающей среды, где они могут в реальном времени послать сигнал тревоги, если вдруг изменится какой-то из наблюдаемых параметров. Фактически вместо попыток ольфакторного анализа наши современные устройства лучше всего справляются с наблюдением за воздушной средой над подопытным образцом и регистрацией изменений в ней.

Несмотря на то что они до сих пор довольно грубы структурно и функционально, их уже используют (в сочетании с химическим анализом и сенсорной эвалюацией) в пищевой промышленности, где они присматривают за тем, чтобы аромат продукта оставался постоянным; а также в экологическом контроле, где нужно следить за состоянием воды и воздуха. О предварительном скрининге, в том числе в медицинских целях, мы уже сказали. Некоторые заболевания, включая рак, нередко сопровождаются выделением летучих соединений, которые с легкостью «слышат» животные.

Есть немало сообщений, что собаки умеют чуять ранние стадии рака, а один кот несколько лет назад обрел славу вестника смерти. Он жил в больнице и приходил к пациентам, которые почти в 100 % случаев на следующий день умирали [3]. Как и искусственный нос, животные в этом отношении могут оказаться очень полезны: они указывают, что определенный пациент нуждается в повышенном внимании и дополнительных медицинских тестах.

До сих пор мы говорили об инструментах, производящих химический анализ газов в практических целях. Увы, до создания рукотворной системы, хотя бы приближающейся по функциональности к живому биологическому носу, нам еще очень далеко. Наверное, на нынешнем этапе остается только вернуться к более элементарным вопросам. Например, как мог бы выглядеть искусственный нос? На что он должен быть способен? Что нам нужно в плане «харда» (сенсоров) и «софта» (информации), чтобы действительно создать такой прибор?