Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

С этого курьеза начались поиски, принесшие в последующие годы немало интересных находок и проложившие дорогу к подлинно научным исследованиям обоняния. Эти исследования продемонстрировали, что примерно 2–3 % людей невосприимчивы к запаху изовалериановой кислоты и других органических соединений сходной структуры. Марсель Гийо в конце 40-х годов, а затем и другие ученые очень интересовались избирательной аносмией. Они исследовали разные типы обонятельной «слепоты» и с помощью полученных данных пытались взломать ольфакторный код. Такова была окончательная цель и вместе с тем серьезнейшее препятствие на пути специалистов, которые работали над вопросами обоняния в тот период, задолго до возникновения молекулярной биологии. Даже сейчас мы еще очень далеки от расшифровки языка запахов: это поистине непростая задача и серьезный вызов для науки.

Изучение избирательных аносмий помогло нам выявить один за другим все базовые запахи, представляющие собой, по аналогии с тремя основными цветами, алфавит сложнейшего языка ольфакторного общения.

Особенно интересны в этой связи исследования, проведенные в начале 70-х британским ученым Джоном Эймуром – он работал в Беркли (штат Калифорния) в одной из четырех крупных лабораторий американского Департамента сельского хозяйства [2]. Эймур, безвременно покинувший нас в 1998 году в возрасте всего 68 лет, на пике своей карьеры, был настоящим пионером науки об обонянии. Вероятнее всего, он первым выдвинул гипотезу о существовании ольфакторных рецепторов – еще в начале 50-х годов, когда биохимия была совсем молода и ученые только-только открыли двойную спираль ДНК.

Джон буквально за руку привел меня в науку об обонянии: я до сих пор очень живо и с большим удовольствием вспоминаю время, проведенное у него в лаборатории, – всего несколько месяцев, но они оказали поистине фундаментальное влияние на все мои будущие исследования. Джон относился к своей работе с большим энтузиазмом и умел передать это волнение другим; он всегда был готов выслушать и помочь, отличался крайней честностью и прямотой и не шел на компромисс ни в работе, ни в прочих областях жизни.

Точнейшим образом сфокусированные исследования Джона Эймура привели к открытию еще нескольких типов избирательной аносмии и позволили определить первые восемь основных запахов [3]. К несчастью, его масштабный проект по взлому ольфакторного кода через детальное изучение аносмий так и остался незавершенным. Сегодня, когда мы знаем, что число ольфакторных рецепторов, а следовательно, и основных запахов превышает несколько сотен (а не один-два десятка, согласно первоначальной гипотезе), можно себе представить, какой серьезный вызов он бросил природе.

Тем не менее изучение избирательных аносмий дало массу интересной и полезной информации. К примеру, теперь нам известно, что разные аносмии встречаются у людей не равномерно, а в зависимости от типа запаха. Некоторые типы невероятно редки, другие довольно обычны и могут охватывать до половины всей популяции.

Именно так обстоит дело, скажем, с чувствительностью к андростенону – химическому веществу, заслуживающему более детального изучения (см. рис. 1). Начнем с того, что его молекула необычно велика по размеру. 19 атомов углерода и один – кислорода: это практически самая крупная молекула пахучего вещества, существующая в природе. Интересно, что по мере увеличения размера молекулы снижается ее летучесть – пока не достигнет таких низких показателей, при которых молекулы уже не могут достичь обонятельного эпителия в достаточном количестве.

Крупный размер молекулы не только снижает летучесть, но и ограничивает ее способность взаимодействовать с ольфакторными рецепторами и, как следствие, вообще давать ощущение запаха. Наш нос попросту не различает молекулы, содержащие больше 20 атомов углерода, потому что связывающие участки обонятельных рецепторов недостаточно велики, чтобы принять и связать их. Эта вторая причина, вероятно, связана с первой: более крупные и менее летучие молекулы все равно не смогут проникнуть в нос, так с какой же стати под них разовьются обонятельные рецепторы? Это будет бесполезное для организма приспособление и лишняя трата энергии.

Рисунок 1. Андростенон – половой феромон кабана, обладающий сильным запахом застоялой мочи. Связанный с ним спирт, андростенол, приятно пахнет мускусом. Молекулы обоих соединений очень крупны: они находятся на пределе человеческого ольфакторного восприятия.

Андростенон относится к химическому классу стероидов, включающему в себя некоторые гормоны (например, тестостерон, мужской половой гормон). Его источник – молекула, очень похожая на тестостерон: андростенон получается из нее при потере молекулы воды. Тестостерон, выделяемый с мочой, и сам прекрасно мог бы служить химическим посланием, сигнализирующим о присутствии особи мужского пола, если бы не тот факт, что его молекула нелетуча, а следовательно, совершенно лишена запаха. Андростенон же летуч в достаточной степени, чтобы проникнуть в нос и доставить очень внятное и конкретное послание о том, что где-то рядом есть тестостерон, а значит, самец.

У некоторых видов животных андростенон служит любовным посланием – половым феромоном, с помощью которого самец сообщает о своем присутствии: самки от этого делаются более податливыми. Такие запахи – а вместе с ними и другие химические вещества, составляющие индивидуальную подпись самца, – действительно часто выделяются с мочой. Так обстоит дело у мышей и прочих грызунов, а также и у некоторых других млекопитающих. Но самец свиньи – особый случай. У него запах передается со слюной вместе с еще одним соединением, очень похожим на андростенон, – андростенолом. Это связанный с ним спирт (см. рис. 1).

Сочетание этих двух молекул дает половой феромон кабана – он очень эффективно действует на самку, помогая ей расслабиться и делая сексуально доступной. Будучи сильным афродизиаком для свиньи, для нас он тем не менее отвратителен. Он пахнет застоялой мочой – по крайней мере, для той части населения, у которой не оказалось аносмии к этому запаху. Часто встречающаяся неспособность различать этот сильный омерзительный запах, вероятно, сказывается на социальных отношениях, так как это же соединение может встречаться и в человеческом поте.

Присутствие андростенона в еде тоже может оказаться проблемой. Хотя он накапливается в слюнных железах кабанов, его интенсивный, всепроникающий запах может пропитывать все тело некастрированных особей, и в результате их мясо оказывается непригодно к продаже. Поэтому мы едим только мясо молодых или кастрированных кабанов – ну, и, разумеется, самок свиньи. Иными словами, присутствие андростенона у свиней непосредственно связано с их полом и половой зрелостью. Вообразите себе, что случится, если в панель эвалюаторов, призванных оценивать качество свинины, попадет эксперт с аносмией к андростенону! Последствия могут быть поистине катастрофическими.

В свою очередь, андростенол, второй компонент кабаньего полового феромона, присутствует среди летучих соединений, придающих характерный вкус трюфелям. Андростенол все равно чуть-чуть пахнет мочой, но, конечно, не так сильно, как андростенон. К тому же основная нота в нем уже мускусная[3 - Строго говоря, существует два изомера андростенола, «альфа» и «бета». У первого запах похож на андростенон, у второго он мускусный, с легким оттенком мочи.]. Это вещество с приятным и привлекательным запахом; похожее содержится в железах кабарги и, как мы уже говорили, высоко ценится в парфюмерии. Скорее всего, именно на эту молекулу и реагируют свиньи, когда их выводят на охоту за трюфелями.

2

Запахи и молекулы

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.