Тайны памяти (с иллюстрациями)

В обыденной жизни мы не замечаем, что постоянно пользуемся обонянием. Оно кажется лишним, необязательным и по сравнению со зрением, слухом и кожной чувствительностью не приносящим нам никакой пользы. Но случись у нас насморк, на несколько дней снизивший обоняние, и пища сразу делается невкусной. Еще страшнее посторонний запах, даже приятный. Прилейте в щи того же «Леля», или «Дон Жуана» и попробуйте их преодолеть.

В помещении, где царит неприятный запах, никакая пища в рот не пойдет. То же самое относится к вкусовым ощущениям. Большинство людей с трудом привыкают к пище, имеющей непривычный вкус. Обоняние и вкус, хотя и не относятся к ведущим человеческим анализаторам, держат нас под башмаком. Неприятный запах – сильнодействующее средство, одинаково нестерпимое и для человека, и для животных. Провинившихся собак я наказываю флаконом духов. Вполне достаточно показать его издалека. Сильнее наказания для собаки не бывает.

Есть животное, главное оружие которого нестерпимо отвратительный запах. Его обладатель скунс чувствует себя в полной безопасности. Медведь и ядовитая змея, человек и собака – все спешат уступить ему дорогу. Случись кому зазеваться – зверек поднимет хвост и прыснет зловонной гадостью. Пострадавший запомнит знакомство со скунсом на всю жизнь.

Обоняние и вкус – химические лаборатории организма. Их работа загадочна. Неизвестен даже принцип опознания пахучих и вкусовых веществ. Ясно одно: восприятие запаха не связано с химическими превращениями молекул, так как оптические изомеры всегда пахнут одинаково.

Оптическими изомерами называются вещества, состоящие из одинаковых атомов, одинаковым образом соединенных, но расположенных зеркально друг к другу. Как порядок расположения пяти пальцев на пясти руки делает ее правой или левой, так и порядок присоединения четырех различных атомов к углероду делает молекулу правым или левым изомером. Изомерные молекулы химически во всем равны друг другу, одинаково хорошо участвуя в реакциях, пока дело не коснется такой же асимметричной молекулы. Исход встречи будет зависеть от того, одинакова или противоположна их конфигурация.

Все живые организмы синтезируют и используют лишь один какой-то изомер. Другой, непривычный, искусственно введенный в пищу, усваиваться не будет. Большинство органических веществ биологического происхождения, в том числе ферменты, являются оптическими изомерами и способны взаимодействовать только с одним из оптических изомеров. Поэтому, если бы обоняние было химическим процессом, только один из оптических изомеров обладал бы запахом. В лучшем случае запахи правого и левого изомеров резко различались. Между тем все опробованные пары оптических изомеров пахнут совершенно идентично. Значит, механизм обоняния иной.

Сравнительно недавно наиболее правильной считалась колебательная теория запаха. Ее сторонники предполагали, что колебания молекул пахучих веществ вызывают резонансные колебания в молекулах рецепторных клеток, возбуждая их.

Противники теории находили в ней немало слабых мест. Вещества могут резко отличаться по химическому составу и частоте колебаний, а запах иметь сходный. Если бы колебательная теория обоняния была бы верна, и мы и животные переставали бы ощущать запахи при температуре окружающего воздуха, равной температуре тела. На самом деле никакого ослабления обоняния в жаркую погоду не происходит.

В результате колебательных движений атомов и молекул или ритмических изменений формы молекул, несущих на себе электрические заряды, возникают электромагнитные волны. Появилось предположение, что именно их и воспринимает орган обоняния. В этом случае при достаточной чувствительности обонятельных рецепторов нет необходимости, чтобы сама молекула пахучего вещества попадала в обонятельную полость. Достаточно проникновения туда электромагнитных волн, для которых ткани носа не преграда. С помощью этой теории пытались объяснить способность насекомых улавливать запах на огромном расстоянии от источника пахучего вещества.

Электромагнитная теория несостоятельна. Ее возникновение – чистое недоразумение. Она противоречит физическим законам возникновения и распространения электромагнитных колебаний.

Большой популярностью пользуется теория замочной скважины и ключа. Она предполагает, что запах вещества непосредственно не связан с химическими особенностями атомов, из которых состоят пахучие вещества, а зависит исключительно от размеров и формы молекулы, от распределения на ней электрических зарядов или особых функциональных групп. Ими могут быть гидроксильная – ОН; альдегидная –

; изотиоцианатная – N–С–S и др.

Подобно тому как все мыслимые оттенки цвета могут быть получены из семи основных цветов, так и запахи могут быть составлены из 7–14 первичных запахов: камфорного, мускусного, цветочного, мятного, эфирного, едкого и гнилостного.

Камфорным запахом обладают шаровидные молекулы с диаметром 7 ангстрем. Так как упаковка атомов в молекулах может иметь различную плотность, камфорным запахом обладают вещества с небольшим атомным весом, вроде гексахлорэтана, его формула C

Cl

, и состоящие из 15–25 атомов вроде циклооктана – C

H

и дихлорэтиламида тиофосфорной кислоты – C

H

NCl

SP. Сама камфора имеет формулу C

H

O.

Молекулы веществ с мускусным запахом имеют вид плоского диска диаметром 10 ангстрем. У молекул с цветочными запахами – дискообразная головка диаметром 9 ангстрем – с хвостиком толщиной около и длиной в 7–8 ангстрем, слегка поджатым, как у провинившейся собаки. Поэтому углубление для хвостика должно быть значительнее, чем для головки.

Замочная скважина для веществ с эфирным запахом имеет продолговатую форму. Ее ширина всего 5, глубина 4, а длина достигает 17 ангстрем. Предполагается, что крупные молекулы, имеющие эфирный запах, полностью заполняют скважину, а маленькие укладываются туда по две.

Едкий и гнилостный запахи свойственны очень маленьким молекулам, имеющим положительный (едкие) и отрицательный (гнилостный) заряд. Ключи по форме и размеру должны соответствовать замочной скважине, слишком маленький ключ вывалится раньше, чем клетка почувствует его присутствие, а чересчур большой вообще в нее не попадет.

В молекуле пахучего вещества важно местонахождение заряда или функциональной группы. Они должны лечь точно на соответствующее устройство замочной скважины. От этого зависит запах.

Молекула, состоявшая из 11 атомов углерода, 22 атомов водорода и одного атома кислорода

пахнет рутой (рута – травянистое или полукустарниковое растение, в диком виде растет в Крыму по каменистым склонам гор). Присмотревшись к ней, нетрудно заметить, что 10 атомов углерода, как богатыри дядьки Черномора, равны между собой и только один второй слева, к которому двойной валентной связью крепится кислород, выделяется из их стройного ряда. Этот углерод нетрудно переместить на третье, четвертое, пятое или шестое места. Что же при этом произойдет с запахом?

Оказывается, при перемещении группы СО к центру молекулы запах руты постепенно убывает и возникает фруктовый запах. Видимо, существуют разные замочные скважины для молекул с кислородом, находящимся в конце и в середине цепочки атомов.

Известно несколько веществ с общей для всех кольцеобразной формой молекулы и индивидуальным коротеньким хвостиком из различных атомов. Они имеют одинаковую конфигурацию, размер и обладают запахом миндаля. Замена в циклической части одного из атомов водорода соединением – ОСН

изменяет его запах на ванильный.

Молекулы многих веществ, строго сохраняя свое химическое строение, могут иметь различную конфигурацию. Две резко различные формы присущи молекулам, состоящим из 6 атомов углерода, 10 атомов водорода и одного атома кислорода. Упрощенно их можно передать следующим образом:

Их запах не имеет ничего общего.

Сложный запах может создаваться при одновременном действии нескольких различных молекул или благодаря тому, что молекула пахучего вещества действует одновременно разными своими частями на несколько рецептивных участков чувствительной клетки. Крупные молекулы могут одновременно дотягиваться до двух замочных скважин. Мелкие занимают первую попавшуюся.

Вещества с простым запахом, сколько их ни разбавляй, запах не меняют. Иначе ведут себя вещества со сложными запахами. Очень концентрированные и очень разведенные растворы могут пахнуть по-разному. Концентрированная смесь веществ, из которой приготовляют духи «Белая сирень», имеет запах, неприятный для человека, и совершенно не напоминает сирень. Объясняется это явление просто. Пахучие вещества обычно содержатся в весьма различных концентрациях. При сильном разведении запахи одних веществ раньше перестают восприниматься, тогда как других будет еще достаточно для того, чтобы пахнуть.

Эта теория хорошо объясняет большинство особенностей обоняния. Например, привыкание к запахам. Вероятно, чувствительная клетка возбуждается только в момент введения ключа в замочную скважину, а затем быстро успокаивается. Поэтому мы ощущаем запахи только в момент первого соприкосновения с пахучими веществами или когда запах усиливается.

Гамма вкусовых ощущений также создается путем сочетания простых компонентов. Их гораздо меньше, чем обонятельных. Для человека называют 4: сладкое, соленое, кислое, горькое. Есть животные, способные почувствовать вкус только одного-двух элементов.

У синей мухи вкусовые рецепторы находятся на покрытом волосками хоботке. В основании каждого волоска три чувствительные клетки. Удалось выяснить, что две из них анализируют вкус, третья служит осязательным рецептором. В микроскоп видно, что одна из обонятельных клеток похожа на букву S, другая имеет форму запятой. Надев на волосок тончайшую капиллярную трубочку, заполненную исследуемым веществом, и отводя биопотенциалы от нервных волокон, ученые подслушали, какие сообщения посылают рецепторы крохотному мушиному мозгу. Оказалось, что S-образная клетка реагирует только на сахар, а вторая – на такие вещества, как соль, кислоты, алкоголь, но ни при каких условиях не отвечает на сахар.

Сахарные рецепторы всех волосков хоботка посылают сигналы в пищевой центр и запускают его работу. Синяя муха питается сахарами. Остальные вещества, возбуждая второй вкусовой рецептор, затормаживают пищевой центр. Что попало муха есть не будет.

Вкусовые рецепторы мухи реагируют не на химическую природу, а на размер и форму молекул. Такое предположение позволили сделать специальные опыты. Синюю муху кормили четырьмя различными веществами, состоящими из одних и тех же атомов, но соединенных по-разному. Запятаяобразный рецептор возбуждался тремя из этих веществ, S-образный – четвертым.

Вкус позвоночных, возможно, действует по химическому способу. Ученые исследовали белки участка языка коровы, который более всего чувствителен к сладкому. Они обнаружили особый белок, легко взаимодействующий и с естественным, и с синтетическим сахаром – с молекулами, обладающими сходными структурами. Специальная комиссия дегустаторов определила, какой состав является более сладким. Выяснилось, что чем сильнее химическая связь между белком и сахаром, тем слаще это вещество казалось дегустаторам! Позже ученые выделили из области вкусовых бугорков языка коровы еще один белок. Он взаимодействует с молекулами, определяющими горький вкус.

Вкусовые белки имеют разный электрический заряд: у молекул «сладкого» он положительный, молекулы «горького» – электрически нейтральны.

Вкусовая и обонятельная чувствительность человека и животных неодинакова. Для лосей, зайцев, бобров кора молодых осин – непревзойденное лакомство, а для человека она нестерпимо горька. Собака обладает утонченным обонянием, позволяющим ей по следам находить дичь, отыскивать преступников. А многие ли из нас по запаху отличат своего сынишку от 5–6 его сверстников?

Различия зависят от общего количества чувствительных клеток и разнообразия приемных устройств. 7–14 типов приемников человека, если их рационально использовать, будут достаточно эффективны. Обонятельно одаренные люди узнают больше 10 тысяч запахов. Можно теоретически подсчитать, что 16384 запаха могут быть идентифицированы с помощью всего 14 типов воспринимающих устройств. Кролик, вероятно, располагает 24 типами приемных устройств, а собака – 25–35. Нет никакой уверенности, что все 24 кроличьих индикатора есть у собаки. Ведь растительные запахи ее не интересуют.

Количество обонятельных клеток определяет чувствительность нашего носа. У людей площадь стенок обонятельной полости равна пяти квадратным сантиметрам, на которых расположено около 6 миллионов чувствительных клеток. У собак она достигает 100 квадратных сантиметров и содержит около 220 миллионов чувствительных клеток. В 35 раз больше. В результате нос собаки в миллион раз чувствительнее человеческого.

Человек ощущает запах, если на каждую обонятельную клетку будет приходиться не меньше восьми молекул пахучего вещества. Только тогда рецепторные клетки начнут посылать информацию в мозг. Мозг же ощутит запах, если получит сообщения не менее чем от 40 воспринимающих клеток.

Мизерные обонятельные способности современного горожанина отчасти объясняются плохой тренированностью нашего носа. Пигмеи африканских джунглей во время охоты широко пользуются им. Среди промысловых охотников Сибири попадаются люди, способные в кромешной темноте свободно ходить по лесу. Обоняние помогает ощущать запах древесных стволов и не натыкаться на них в потемках. Слепые от рождения обычно обладают утонченным обонянием, отчасти компенсирующим отсутствие зрения.

Сейчас химические анализаторы изучаются во многих лабораториях и поток новых сведений быстро нарастает. Чтобы до конца раскрыть тайну нашего обоняния и вкуса, требуются опытные детективы.

Добчинский и Бобчинский