Мариус Плужников - Среди запахов и звуков
В качестве экспериментальных подтверждений своей теории Райт приводил следующие: соединения, обладающие запахом горького миндаля, имеют сходные низкочастотные спектры; у синтетического мускуса есть линии поглощения в дальней инфракрасной области, где у других, немускусных соединений, их нет, и, наконец, наблюдается корреляция между низкочастотными колебаниями и биологической активностью полового притяжения насекомых.
Вибрационная теория подвергалась справедливой критике, в особенности гипотеза о возбуждении электронов обонятельного эпителия. Достаточно привести такой пример: изотопные молекулы имеют одинаковый запах, хотя их колебательные частоты очень разнятся. Но сам факт, что к вибрационной теории вновь вернулись после 20-летнего забвения, говорит о том, что в основе ее лежит рациональное зерно. Может быть, при более детальной разработке и более солидной экспериментальной базе к ней обратятся и в третий раз.
Что же утверждают сторонники химических контактных теорий? В течение многих лет химики эмпирическим путем синтезировали огромное количество пахучих веществ как для парфюмерии, так и для своих собственных исследований обоняния, но вместо того, чтобы пролить свет на свойства, от которых зависит запах, это только увеличивало путаницу. Было открыто лишь несколько общих принципов. Например, добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов весьма усиливает запах. Сильный запах оказался также свойственным молекулам некоторых спиртов и альдегидов, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов. Однако чем больше химики анализировали химическое строение пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и структуры эти вещества поражают отсутствием какой-либо закономерности.
Но, как это ни парадоксально, само это отсутствие закономерности стало своего рода закономерностью. Например, два оптических изомера — идентичные во всех отношениях молекулы, кроме того, что одна является зеркальным отражением другой, — могут пахнуть по-разному. В веществах, молекулы которых содержат бензольное кольцо из шести углеродных атомов, изменение положения группы атомов, связанных с кольцом, может резко изменить запах, тогда как у соединений, молекулы которых включают большое кольцо из 14…19 атомов, такого рода перегруппировка заметного изменения их запаха не вызывает. Эти факты привели химиков к мысли о том, что, возможно, основным фактором, определяющим запах, является общая геометрическая форма молекулы, а не какая-либо деталь состава или структуры вещества.
В 1949 году Р. Монкрифф оформил эти идеи, предложив гипотезу, сильно напоминавшую догадку Лукреция 2000-летней давности. Монкрифф предположил, что обонятельная система построена из рецепторных клеток немногих типов, каждый из которых воспринимает отдельный "первичный" запах, и что пахучие молекулы оказывают свое действие при точном совпадении их формы с формой "рецепторных участков" этих клеток. Он предположил, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, каждый из которых отвечает основному запаху. Его гипотеза была новым приложением концепции "ключа и замка", которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субстратами, антител с антигенами, молекул ДНК с молекулами РНК.
Дж. Эймур развил и детализировал теорию Р. Монкриффа. Потребовалось два усовершенствования: во-первых, установить, сколько существует видов рецепторов, и во-вторых, определить размеры и форму каждого из них. Для определения количества видов рецепторов Эймур установил число основных запахов, считая, что каждый из них отвечает форме рецептора. Это было достигнуто при объединении 600 соединений в группы на основе сходности запаха. На основании частоты встречающихся запахов удалось выделить 7 запахов, которые можно рассматривать как первичные.
При смешивании первичных запахов в определенных пропорциях можно получить любой известный запах. Молекулы важнейших запахов могут совпасть только с одним видом рецепторов, тогда как молекулы сложных запахов должны подходить двум или даже большему числу видов рецепторов. Поэтому важнейшие запахи в чистом виде встречаются реже, чем сложные.
Чтобы воспринять семь первичных запахов, в носу, согласно теории Эймура, должно быть семь различных типов обонятельных рецепторов. Ученый представлял рецепторные участки в виде ультрамикроскопических щелей или впадин в мембране нервного волокна, каждая из которых имеет своеобразную форму и величину. Предполагалось, что молекулы определенной конфигурации "вписываются" в каждый из этих участков, подобно тому, как штеккер входит в гнездо.
Следующей проблемой было изучение формы семи рецепторных участков. Оно началось с исследования формы молекул различных пахучих веществ с помощью методов современной стереохимии. Оказывается, используя дифракцию рентгеновских лучей, инфракрасную спектроскопию, электронно-зондовый анализ и целый ряд других методов, можно построить трехмерную модель молекулы.
Когда таким образом были построены молекулы всех соединений, обладающих камфарным запахом, оказалось, что все они имеют примерно одинаковую округлую форму и диаметр, равный семи ангстремам. Это означало, что рецепторный участок для камфарных соединений должен иметь форму полукруглой чаши такого же диаметра.
Таким же способом были построены и модели других "пахучих" молекул. Выяснилось, что мускусный запах характерен для молекул дискообразной формы с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветочный запах вызывается молекулами дискообразной формы с гибким хвостом, как у воздушного змея. Прохладным мятным запахом обладают молекулы клинообразной формы. Эфирный запах обязан своим происхождением палочковидным молекулам. В каждом из этих случаев рецепторный участок на нервном окончании, по-видимому, имеет форму и величину, соответствующую форме и величине молекул.
В настоящее время наиболее признана стереохимическая теория обоняния Монкриффа — Эймура. Она прошла целый ряд экспериментальных проверок, доказавших правильность ее основных положений. Эймур синтезировал несколько молекул определенных форм, и все они обладали предсказанным запахом.
Как измерить неизмеримое?
Речь в этой главке пойдет об исследовании органа обоняния. Вопрос этот также крайне запутан, хотя по количеству предложенных устройств и по оригинальности их конструкций ольфактометры (приборы для измерения обоняния) могут соперничать, пожалуй, только с вечным двигателем, И в том и в другом случае гораздо интереснее сама идея конструкции, чем, к сожалению, конечный результат.
Итак, нам предстоит познакомиться с ольфактометрией — наукой об измерении остроты обоняния (от латинских слов "ольфактио" — обоняние и "метрия" — измерение).
Простейший, древнейший и, как это ни печально, пока еще распространенный, несмотря на свою примитивность, способ: непосредственное использование растворов пахучих веществ для измерения обонятельной чувствительности. Проще говоря, подносят к носу больного склянку с каким-либо пахучим раствором, открывают пробку и задают вопрос: чувствуете ли вы какой-либо запах? При этом определяют минимальную концентрацию водного, масляного или глицеринового раствора одного или нескольких пахучих веществ, вызывающую обонятельные ощущения. Предполагают, что концентрация паров пахучих веществ над жидкостью пропорциональна концентрации этого вещества в растворе.
Перед испытуемым ставят две задачи: регистрировать появление обонятельных ощущений вообще и дифференцировать запах, так как порог распознавания всегда выше порога ощущения.
Прототипом большинства приборов для изучения обоняния является прибор, предложенный в 1892 году русским физиологом Н.А. Савельевым. Прибор Савельева состоял из двугорлой склянки, в которую наливался раствор пахучего вещества. В одно горлышко склянки вставлялась стеклянная трубка, доходившая до дна сосуда, а в другое — П-образная стеклянная трубка, соединявшая первую склянку со второй, от которой отходила разветвленная трубка с оливообразными насадками, приспособленными для введения в нос. Исследуемый вставлял в нос оливы и втягивал воздух, который проникал в сосуд через прямую трубку и, проходя через слой жидкости, насыщался пахучими веществами и попадал через П-образную трубку во вторую склянку, а оттуда — в нос. Изменяя концентрацию раствора, можно было достичь изменения концентрации паров пахучих веществ.
Вариантами прибора Савельева являлись весьма популярные как в нашей стране, так и за рубежом ольфактометры Х. Хенинга и X. Эльсберга — Дж. Леви.
Прибор Хенинга состоял из большого числа двугорлых склянок, соединенных последовательно. Если соединить первую склянку со второй, концентрация пахучих паров уменьшится вдвое. Соединив вторую склянку с третьей, предварительно отключив ее от первой, можно понизить концентрацию паров в четыре раза и т. д. В каждой склянке имелось отверстие, через которое можно было понюхать воздух и определять, ощущается ли там примесь пахучего вещества.
