Джонджо МакФадден - Жизнь на грани
Год спустя Скулакис и Турин присоединились к группе исследователей из Университетского колледжа Лондона с целью продолжить поиски ответа на деликатный вопрос о том, основан ли механизм обоняния человека на распознавании колебаний молекулярных связей. Вновь не полагаясь на тонкий нюх Турина, команда ученых пригласила для участия в пробах на запах 11 испытуемых. Сначала ученые подтвердили результаты, полученные Восшеллом и Келлером: испытуемые не различали по запаху обычный и дейтеризованный ацетофенон. Однако ученые предположили, что восьми атомов в углерод-водородной связи может быть недостаточно. Возможно, сигнал, поступающий от дейтеризованной формы ацетофенона, настолько слаб, что человеческий нос его просто не улавливает. Ученые решили исследовать восприятие людьми веществ, отличающихся более сложной структурой и имеющих запах мускуса (например, тех, что показаны на рис. 5.2).
В каждой молекуле подобного вещества содержится 28 атомов водорода, и все они могут быть заменены на дейтерий. На этот раз, в отличие от проб с ацетофеноном, все 11 испытуемых легко определили разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой мускуса. Возможно, люди и правда способны чувствовать разницу между молекулами, химические связи которых различаются спектром колебаний.
Физики принюхиваются
Одной из основных претензий, выдвигаемых против теории квантовых колебаний, является мнение о неубедительности ее теоретических оснований. Громче всех в наши дни это мнение опровергает команда физиков из Университетского колледжа Лондона, сунувших свои носы (простите мне этот каламбур) в квантовые расчеты, на которых строится теория туннелирования. Физики пришли к выводу о том, что теория «согласуется с лежащей в ее основе квантовой физикой и с тем, что нам известно о природе обоняния, при условии, что рецептор обладает определенными общими свойствами»[82]. Одна из исследователей, Дженни Брукс, даже предложила решение, казалось бы, неразрешимой проблемы зеркальных изомеров вроде лимонена и дипентена (см. рис. 5.3), характеризующихся одинаковыми спектрами колебаний и имеющих при этом совершенно разные запахи.
Если быть точными, первым к решению данной проблемы пришел преподаватель и научный руководитель Дженни, ныне покойный профессор Маршалл Стоунхэм, сформулировавший идею, которая позднее стала известна как модель пластиковой карточки. Стоунхэм был одним из ведущих британских физиков своего поколения. Сфера его научных интересов простиралась от вопросов ядерной безопасности до квантовых вычислений, биологии и даже музыки (он прекрасно играл на валторне). Теория Стоунхэма и Брукс представляет собой всего лишь доработку в терминах квантовой механики идеи Роберта Райта о том, что в механизме обоняния одинаково важная роль отводится как форме обонятельного рецептора, так и колебаниям связей внутри молекулы запаха. Ученые предположили, что связывающий карман обонятельного рецептора работает по тому же принципу, что и аппарат, считывающий пластиковые карточки. В пластиковую карту встроена магнитная полоса, обусловливающая возникновение электрического тока в считывающем аппарате. Однако далеко не любая карточка может быть вставлена в считывающий аппарат: она должна иметь определенный размер и толщину, магнитная полоса должна находиться с определенной стороны. Все эти условия должны быть соблюдены до использования, то есть до того, как вы начнете проверять, считывает машина вашу карточку или нет. Брукс совместно с коллегами предположила, что обонятельный рецептор работает по тому же принципу. Сначала, как утверждают ученые, молекула запаха должна войти в лево- или правосторонний хиральный связывающий карман, подобно тому как кредитка входит в щель считывающего аппарата. Итак, пахучие вещества с одинаковыми химическими связями, но различными формами молекул — лево- и правосторонней — будут «считываться» разными рецепторами. Только после того как молекула запаха попадает в подходящий рецептор, она может запустить тесно связанное с колебаниями электронное туннелирование и привести в действие обонятельный нейрон. И поскольку левосторонняя молекула захватывается левосторонним рецептором, ее запах будет сильно отличаться от запаха правосторонней молекулы, захватываемой правосторонним рецептором.
Обратимся в последний раз к нашей музыкальной аналогии, в которой гитара исполняет роль молекулы запаха, а струны выступают в качестве молекулярных связей, которые нужно дернуть, чтобы вызвать колебания. Эрик Клэптон и Джими Хендрикс, как вы помните, символизируют обонятельные рецепторы. Оба могут сыграть одни и те же молекулярные «последовательности нот», однако лево- и правосторонние молекулы должны захватываться соответствующими рецепторами. Иными словами, правша должен играть на правосторонней гитаре. Итак, несмотря на то, что лимонен и дипентен характеризуются одинаковым спектром колебаний, их молекулы захватываются разными рецепторами. Сигналы разных рецепторов обрабатываются разными отделами мозга, поэтому у нас и возникают разные образы запахов. Подобное сочетание теории замка и ключа и теории квантовой вибрации предлагает наконец описание такой модели обоняния, которая не противоречит результатам экспериментов.
Безусловно, факт, что новая модель согласуется с данными экспериментов, сам по себе не является доказательством того, что в основе обоняния лежит квантовый механизм. Как видим, любая теория обоняния, принимающая во внимание форму молекул и рецепторов, а также колебания молекулярных связей, находит экспериментальное подтверждение. Еще ни один эксперимент не доказал напрямую возникновение эффекта квантового туннелирования при обработке запаха. Однако на сегодняшний день механизм улавливания белками колебаний молекулярных связей наиболее правдоподобно и непротиворечиво объясняется только наличием квантового туннелирования «неупруго» рассеянных электронов.
Мы близки к разгадке тайны обоняния, и все же для решения данной головоломки нам не хватает важнейшего фрагмента, а именно описания структуры обонятельных рецепторов. Наличие данного фрагмента облегчило бы поиски ответов на ключевые вопросы, связанные с обонянием. Скроены ли связывающие карманы рецепторов под каждую отдельно взятую молекулу запаха? Захватываются ли зеркальные изомеры одними и теми же рецепторами? Делится ли молекула рецептора на область-донор и область-акцептор и идеально ли подходят эти области для неупругого туннелирования электронов? Несмотря на многолетний труд ведущих специалистов в области структурной биологии, ни одному из них пока не удалось выделить молекулу обонятельного рецептора и проверить экспериментальным путем, функционирует ли она на основе квантово-механического механизма, как это было возможно в случае ферментов (см. главу 3) и белков фотосинтетических пигментов (см. главу 4). Проблема заключается в том, что в обычном состоянии обонятельный рецептор заключен в клеточную мембрану, как медуза, плавающая в морской воде. Изъятие белка рецептора из мембраны будет иметь примерно такие же последствия, как и изъятие медузы из воды, — он, как и медуза, не сохранит своей первоначальной формы. До сих пор структура белков обоняния никем не описана, поскольку они продолжают скрываться в клеточных мембранах.
Итак, при всей противоречивости единственной теорией, способной объяснить принцип различения мушками и человеком запахов обычных и дейтеризованных веществ, является теория, в основе которой лежит описание квантово-механического явления — неупругого туннелирования электронов. Эксперименты последних лет показали, что не только мушки и люди, но и некоторые другие виды насекомых и даже рыб способны различать запахи химических связей с обычным водородом и дейтерием. Если квантовое обоняние обнаружено у таких разных существ, возможно, оно распространено шире, чем мы думаем. Люди, плодовые мушки, рыбы-клоуны и представители многих других видов, вероятно, используют способность электронов исчезать из одной точки пространства и тут же материализоваться в другой для получения важных «посланий материальной действительности», помогающих найти пищу, партнера для продолжения рода или путь домой.
6. Бабочка, дрозофила и квантовая малиновка
Фред Уркухарт родился в 1912 году в Канаде, в городе Торонто. Там он учился в школе, расположенной вблизи рогозовых болот. Он проводил бессчетные часы, наблюдая за насекомыми, особенно за бабочками, населявшими камышовые заросли. Он очень любил раннее лето, когда на болота слетались тысячи монархов, знаменитых североамериканских бабочек с узнаваемой черно-оранжевой раскраской. Монархи остаются здесь на все лето, питаясь местным молочаем, а осенью улетают снова. Фреда всегда интересовал ответ на вопрос: куда же улетают эти бабочки?
