В мире запахов
В мире запахов
Итак, в этой главе нам предстоит выяснить как мы… И тут бодрое изложение придется прервать и задуматься. Как же нам обозначить действие, посредством которого мы чувствуем запах? Нюхаем? Нет, пожалуй, не совсем так. Обоняем? Тоже как-то не по-русски. «Мы слышим запахи», — иногда можно встретить и такой термин, механически переносящий чувство слуха на чувство обоняния. Так что же получается? Выходит, у нас даже не существует глагола, который мог бы обозначить обонятельное восприятие.
Действительно, обоняние — весьма и весьма загадочное чувство, а на первый взгляд, казалось бы, такое простое и понятное. Но это только на первый взгляд. Прошу тебя, дорогой читатель, приготовиться — какие бы вопросы у тебя не возникли в этой главе, все они получат весьма неожиданные объяснения, а многие и вовсе останутся без ответа. Что поделаешь — такое загадочное чувство.
Для современного человека обоняние — третьестепенное чувство. В отличие от животных, 90 % информации человек получает через зрение, около 5 % — с помощью слуха, на обоняние же приходится лишь около 2 %.
Но так было не всегда. Говоря об обонянии, нужно говорить об утраченном первенстве, поскольку обоняние — первое из чувств, появившихся в процессе эволюции. Задолго до того, как живые существа научились слышать и видеть, они могли различать химический состав окружающей среды. Когда первые примитивные животные вышли из моря на сушу, обоняние начало играть роль, пожалуй, большую, чем все другие органы чувств. Воздух приносил запахи, которые охотнику говорили о цели, а жертве — об опасности. Причем сигналы эти приходили с большого расстояния — в сотни метров от невидимого источника и даже ночью.
Фауна развивалась, возникли более совершенные виды, способные лазить по деревьям. Они населили леса, и им гораздо больше обоняния понадобилось зрение — для передвижения в трехмерном пространстве, а не на плоскости. Когда же появился человек, ходящий прямо, его нос, ноздри, смотрящие в землю, и вовсе отвернулись от главного источника информации — ветра, приносящего запахи. Хотя наши самые ранние предшественники имели ноздри, вывернутые кверху, — так же, как и у всех прочих животных.
Начиная от кроманьонцев, живших 35 тысяч лет назад, человек обладает носом современной формы. Обоняние, казалось бы, потеряло роль в обеспечении двух важнейших функций — питания и размножения. Но — именно, что казалось бы. На самом деле запахи влияют на нас гораздо сильнее, чем принято думать. Даже тогда, когда они не воспринимаются сознанием.
Итак, обоняние — это первый дистантный рецептор живых организмов, т. е. древнейшее чувство. Задолго до того, как развивались и совершенствовались зрение и слух, обоняние обеспечивало живым существам две их главные функции — питание и размножение. Без этого рецептора организм этих древнейших животных просто не смог бы существовать. Поэтому корковые центры этого анализатора находятся у человека в древнейшей части головного мозга — в обонятельном мозге, в так называемой извилине морского коня и в аммониевом роге.
Рядом с обонятельным мозгом находится лимбическая система, отвечающая за наши эмоции. Поэтому все запахи эмоционально окрашены, все вызывают у нас те или иные эмоциональные переживания, приятные или же неприятные, «безразличных» запахов не существует.
Именно запахи быстрее всего пробуждают память, и не логическую, а именно эмоциональную. Вот среди страниц книги нам попался засушенный цветок с едва слышным ароматом. Мы еще не успели осознать, что же это за запах, а память уже услужливо рисует нам картины лета, цветущего луга, жужжащих шмелей, жаркого солнца, застывших стрекоз над ручьем.
Вы спешите на работу в переполненном вагоне метрополитена, как вдруг…
«И не понятно мне, откуда
Донес сквозняк подземных шахт
Твоих духов неуловимых
Едва заметный аромат…»
С. В. Рязанцев.
И сразу же у вас пробуждается целая цепь ассоциаций, и никакие силы не могут помешать ходу ваших мыслей. А все из-за чего? Из-за мимолетного знакомого запаха.
Свойству запахов пробуждать память посвящено замечательное стихотворение А. Майкова «Емшан». Помните? Половецкий хан завоевал кавказское царство и многие годы правил там в роскоши и богатстве, забыв про свои родные половецкие степи. Но стоило хану вдохнуть едва уловимый горьковатый аромат присланной ему травы емшан (степной полыни), как на него неудержимо нахлынули воспоминания, и он умчался назад в половецкие степи.
У североамериканских индейцев существовал своеобразный способ фиксации в памяти дорогих им событий и переживаний. Юноша-индеец носил на ноге в специальных герметических капсулах, сделанных из кости или рога, набор веществ, обладающих сильным и характерным ароматом, и в те минуты, воспоминание о которых ему хотелось удержать на всю жизнь, он открывал какую-нибудь капсулу и вдыхал ее запах. Индейцы утверждали, что этот же запах мог потом, через много лет, пробудить необычайно яркие и живые воспоминания.
Японские ученые провели интереснейший эксперимент. Вновь синтезированное химическое вещество, обладавшее доселе неизвестным запахом, впервые предъявили двум группам испытуемых в разных ситуациях. Первой группе запах предъявили в момент радостного события (выплата премий), а второй — в момент решения арифметической задачи с заранее запрограммированной ошибкой. Человек всячески пытался ее решить, переживал, нервничал, но у него ровным счетом ничего не получалось. Когда через какое-то время испытуемым вновь предъявили этот запах, то первая группа оценивала его как приятный, а вторая — как неприятный.
Приятный — неприятный, скажете вы, это все очень расплывчато. Что они, не могли охарактеризовать его более конкретно? Нет, не могли.
Дело в том, что у людей отсутствует абстрактное представление о запахах. В то время, как в области вкуса существует представление о соленом, горьком, кислом, сладком, когда можно выделить основные цвета спектра, представление о запахах является чисто предметным. Мы не можем охарактеризовать запах, не называя вещества или предмета, которому он свойственен. Мы говорим о запахе роз или запахе лука, в некоторых случаях мы пытаемся обобщить запахи группы родственных веществ или предметов, говоря о цветочном или фруктовом запахе, запахах кухонных, парфюмерных, лакокрасочных. Точно также невозможно вызвать в воображении какой-либо запах, не связывая его с определенным предметом.
И все-таки запахи неоднократно пытались классифицировать, систематизировать, объединить в группы, используя элементы сходства запахов.
Самая старая из всех известных классификаций запахов принадлежит Карлу Линнею, хорошо знакомому нам по школьному курсу зоологии, который предложил классификацию в 1756 году и при этом разбил все запахи на 7 классов.
С тех пор неоднократно предлагались все новые и новые классификации, количество групп запахов в этих классификациях колебалось от 4 до 18, и все-таки ни одна из них в должной мере не отвечает современным требованиям. Разберем несколько подробнее наиболее удачные из этих классификаций.
Одной из наиболее разработанных и наиболее употребляемых систем классификации является система Цваардемакера, опубликовавшего ее в первом варианте в 1895, а в окончательном виде — в 1914 году. Цваардемакер делил все пахучие вещества на 9 классов:
1 класс — эфирные запахи
2 класс — ароматические запахи
3 класс — бальзамические запахи
4 класс — амбро-мускусные запахи
5 класс — чесночные запахи
6 класс — пригорелые запахи
7 класс — каприловые запахи
8 класс — противные запахи
9 класс — тошнотворные запахи
Может быть, из представленных здесь терминов вам не ясно слово «каприловый». В переводе с латинского языка оно означает «козлиный». К этому классу запахов Цваардемакер относил запахи сыра, пота, прогорклого масла, «кошачий запах».
Кстати, латинское наименование козла должно быть вам знакомо. С ним связано название острова Капри (Козлиного) в Италии и слово «каприз» или «капричио» — так называли вычурное музыкальное произведение, подобное неожиданным, своенравным прыжкам козочки. Так что «каприз», буквально — это поведение, аналогичное поведению козы.
Некоторые классы Цваардемакер делил на подклассы. Так, среди ароматических запахов он выделял:
а) камфарные запахи,
б) пряные,
в) анисовые,
г) лимонные
д) миндальные запахи.
Среди бальзамических запахов:
а) цветочные,
б) лилейные
в) ванильные запахи.
Классификация Цваардемакера подвергалась и подвергается справедливой критике (но несмотря на это, ею, за неимением лучшей, иногда продолжают пользоваться до сих пор). Классификация эта очень субъективна. Например, к классу противных запахов Цваардемакер отнес лишь два подкласса: а) наркотические запахи и б) запах клопов. Несмотря на явно неполную трактовку запахов этой группы, в ней есть и принципиальная неточность: наркотики обладают весьма различными запахами. Разница между каприловыми, противными и тошнотворными запахами также весьма субъективна и вряд ли заслуживает выделения в разные группы.
К сожалению, один из важнейших недостатков системы Цваардемакера — произвольность в распределении веществ по различным классам — существует и в некоторых других системах классификации запахов.
Заслуживает внимания на первый взгляд свободная от этих субъективных просчетов классификация запахов, предложенная Крокером и Хендерсоном. Она основана на выделении 4-х основных запахов: ароматного, кислого, жженого и каприлового, и 4-х типов, отвечающих им обонятельных рецепторов. Согласно их теории, любой запах является смесью этих четырех основных запахов в различных соотношениях. Для сложного запаха интенсивность каждого из основных запахов дается цифрами от 0 до 8 так, что все запахи могут быть представлены четырехзначными числами от 0001 до 8888. Следовательно, по этой системе можно обозначить лишь 8888 запахов, хотя сам Крокер констатировал, что «существуют сотни тысяч различных запахов». Практическая ценность классификации Крокера-Хендерсона в том, что по ней хоть каким-то образом можно систематизировать описание запахов.
Упомянем еще одну довольно интересную в свое время классификацию, так называемую «обонятельную призму» Хенинга, предложенную им в 1924 году. По системе Хенинга все обонятельные ощущения графически изображены в виде призмы, на углах которой обозначены шесть основных обонятельных ощущений: цветочный, фруктовый, пряный, смолистый, гнилостный и пригорелый. Хенинг считал, что все запахи, которые не могут быть прямо отнесены к одному из перечисленных шести классов, должны были занять в этой призме положение на ребрах, на плоскости или внутри нее, в зависимости от того, со сколькими и с какими классами обнаружилось у них сходство.
Основной недостаток системы Хенинга заключался в том, что он построил свою схему обонятельных ощущений по аналогии со схемами цветовых или вкусовых ощущений, в то время как выделить основные обонятельные ощущения пока никому не удалось.
Приходится признать, что в настоящее время мы пока еще не обладаем научно-обоснованной системой классификации запахов. Несмотря на огромные достижения химии и физиологии, этот вопрос еще остается открытым. По-видимому, создать четкую и стройную систему классификации запахов будет возможно только тогда, когда будет создана единая, научно-обоснованная теория обоняния.
А как же обстоит дело с теорией обоняния? Давайте рассмотрим и этот вопрос, но для начала познакомимся с анатомией обонятельного анализатора.
Обонятельные функции несет только участок слизистой, находящийся в области верхних носовых ходов и занимающий площадь примерно в 5,0 кв. см (по 2,5 кв. см в каждом носовом ходе). Обонятельные клетки имеют форму веретена или бокала с двумя отростками — периферическим и центральным. Периферические отростки клеток доходят до поверхности слизистой оболочки и заканчиваются булавовидными утолщениями, на которых сидят несколько ресничек. У человека, как и других высших животных, обонятельный эпителий покрыт тончайшей живой пленкой, так называемой «ольфактивной (обонятельной) мембраной». Булавовидные утолщения наружных отростков обонятельных клеток лежат либо на этих мембранах, либо под ней.
Обонятельные булавы, благодаря подвижности шеек, на которых они сидят, способны подниматься на поверхность ольфактивной мембраны и вступать в контакт с пахучим веществом или же, погружаясь в глубь эпителия, от этого контакта освобождаться.
Центральные отростки обонятельных клеток образуют тонкие нити, которые, проникая через «ситовидную пластинку» крыши полости носа, вступают в полость черепа. Эти волокна, в отличие от прочих нервов, не образуют единого ствола, а проходят в виде нескольких (до 20) тонких нитей через отверстия ситовидной пластинки. На нижней поверхности лобной доли головного мозга они сходятся, образуя утолщение — обонятельные луковицы, которые переходят сзади в обонятельный нерв, волокна которого вступают в вещество мозга. О корковых центрах обонятельного анализатора мы уже говорили в начале главы.
Итак, мы познакомились с анатомией обонятельной системы, но это не подвинуло нас в решение вопроса — почему мы чувствуем запахи?
Впервые ответ на этот вопрос попытался дать 2000 лет тому назад римский поэт Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей». Он думал, что на небе имеются маленькие поры различной величины и формы. «Каждое пахучее вещество, — говорил он, — испускает мельчайшие „молекулы“ определенной формы, и запах ощущается тогда, когда эти молекулы входят в поры на небе». По-видимому, опознание каждого запаха зависит от того, к каким порам подходят его молекулы.
С тех пор было предложено порядка 30 теорий для обеспечения механизмов запаха. Наибольшую дискуссию вызывал вопрос, должны ли молекулы пахучего вещества приходить в контакт с рецепторами или же это вещество излучает волны, которые и раздражают рецепторы. Вследствие этого все теории разделились на контактные и волновые.
Особенное распространение волновые теории получили в XVIII веке по аналогии с волновой теорией света и волновой теорией слуха. Сторонники этой теории приводили в качестве аргумента феноменальную способность насекомых различать запахи на огромных расстояниях. Известно, что самец тутового шелкопряда может ощущать запах самки на расстоянии до 10 км. Трудно предположить, что мельчайшие молекулы вещества могут переноситься на такие расстояния.
Но в настоящее время от волновой теории в основном отказались все исследователи. Объясняется это тем, что волновая теория противоречит двум основным свойствам запаха: 1 — запах не может распространяться в безвоздушной среде, и 2 — вещества с запахом должны быть летучи. Такое вещество, как железо, при обычных температурах совсем ничем не пахнет, потому что с его поверхности не происходит испарения молекул. Следовательно, запах обусловлен не волнами, испускаемыми этими веществами, а молекулами самого пахучего вещества.
И все-таки сторонники волновой теории, несмотря на столь сокрушительные аргументы, до сих пор не сложили оружие. Особого упоминания заслуживает теория Бека и Милеса. В ней предполагается, что орган обоняния подобен маленькому инфракрасному спектрофотометру, производящему инфракрасное излучение и замеряющему его поглощение молекулами, находящимися в самом органе обоняния. Экспериментальное подтверждение этой теории содержало интересные факты. Так, было доказано, что пчелы могут чувствовать запах меда, если даже мед помещен в запаянный контейнер, который, однако, пропускает инфракрасное излучение.
Если эта теория верна, это значило бы, что вещества с запахом, запаянные в полиэтилен и помещенные в нос, должны вызывать обонятельные ощущения, поскольку полиэтилен пропускает большую часть инфракрасного излучения. Но эксперименты на человеке показали, что в таких условиях нет никакого ощущения запаха. Поскольку инфракрасное излучение — тепловая энергия, поглощение его молекулами пахучего вещества будет происходить только в том случае, если это вещество находится при температуре ниже, чем температура человеческого тела. Это также было опровергнуто.
Самые последние сообщения в печати о том, что крысы могут чувствовать рентгеновское излучение при помощи органов обоняния ни в коей мере не оживляют волновую теорию, а только показывают, что изучение обоняния должно учитывать влияние радиации на обонятельные рецепторы.
Поэтому все наши дальнейшие рассуждения будут касаться контактных теорий обоняния, и только их. Контактные теории, в свою очередь, делятся на 2 подгруппы в зависимости от того, химическим или физическим путем предположительно воздействуют контактирующие молекулы на обонятельные клетки.
Теории физического взаимодействия молекул пахучего вещества и органов обоняния в основном рассматривают внутримолекулярные колебания молекул веществ, воздействующих на рецепторы. Наиболее показательной в этом отношении является вибрационная теория Дисона-Райта.
Еще в 1937 году Дисон предложил три необходимых условия пахучести вещества: летучесть, растворимость и внутримолекулярные колебания, которые дают пик в спектре Рамана в области 3500–1400 см-1. Он предложил, что колебательные частоты молекул могут быть оценены, исходя из спектра Рамана. Основываясь на известных, ограниченных еще в то время данных, Дисон считал, что область 3500–1400 см-1 это частоты, чувствительные для обонятельной зоны. Поскольку слух и зрение включают восприимчивость к колебаниям определенной частоты, весьма логично, казалось бы, построить теорию запаха по аналогии. Хотя в то время эта теория и привлекла внимание, но была быстро забыта, поскольку не было обнаружено корреляции между колебаниями в области 3500–1400 см-1 и запахом.
Однако в 1956 году теория Дисона вновь была поднята Райтом. Райт полагал, что основная идея вибрационных частот, к которым восприимчивы обонятельные рецепторы, верна, но Дисон неверно выбрал интервал частот. Известно, что результирующее поглощение сложного колебания молекулы в целом лежит в области низких частот, и поэтому Райт предложил в качестве обонятельной зоны зону инфракрасных частот — от 500 до 50 см-1. Согласно этой теории, колебательные частоты определяют качество запаха, тогда как такие факты, как летучесть, способность к адсорбции (поглощению), растворимость определяют интенсивность запаха. Считается, что все молекулы обонятельного эпителия находятся в состоянии электронного возбуждения с запрещенным переходом в основное состояние. Молекулы пахучего вещества комбинируются с молекулами обонятельного эпителия (причем с определенным соответствием колебательных частот), меняют частоту колебаний молекул эпителия и стимулируют возвращение возбужденной молекулы в исходное состояние. Для объяснения разнообразных запахов должно быть несколько типов клеток обонятельного эпителия.
Основываясь на том, что нет примеров различия запахов оптических изомеров, Райт утверждал, что в основном в процессе обоняния играет роль физическое, а не химическое взаимодействие. Легкие различия в запахе некоторых оптических изомеров он относил к различной степени частоты. Измерение качества запаха при разведении, считал Райт, вероятно происходит потому, что запах состоит из нескольких более простых запахов, имеющих различные пороговые значения, а при низкой концентрации фиксировались только определенные компоненты.
В качестве экспериментальных подтверждений своей теории Райт приводил следующие: соединения, которые имеют запах горького миндаля, имеют сходные же низкочастотные спектры; синтетический мускус имеет поглощение в дальней инфракрасной области, где другие, немускусные соединения таких линий поглощения не имеют; и, наконец, имеется корреляция между низкочастотными колебаниями и биологической активностью полового притяжения насекомых.
Надо заметить, что вибрационная теория подвергалась справедливой критике, в особенности гипотеза о возбуждении электронов обонятельного эпителия. Достаточно привести пример: изотопные молекулы имеют одинаковый запах, хотя их колебательные частоты очень разняться. 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 контактной теории? В течение многих лет химики эмпирическим путем синтезировали огромное количество пахучих веществ как для парфюмерии, так и для своих собственных исследований, но вместо того, чтобы пролить свет на свойства, от которых зависит запах, эти вещества только увеличивали путаницу. Было открыто лишь несколько общих принципов. Например, было обнаружено, что добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов весьма усиливает запах духов. 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 догадок. 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. С другой стороны, в веществах, молекулы которых содержат бензольное кольцо из шести углеродных атомов, изменение положения группы атомов, связанных с кольцом, может резко изменить запах соединения, тогда как соединения, молекулы которых включают большое кольцо из 14–19 атомов, могут быть существенно перегруппированы без заметного изменения их запаха. Эти факты привели химиков к мысли о том, что, возможно, основным фактом, определяющим запах вещества, является общая геометрическая форма его молекулы, а не какая-либо деталь его состава или структуры.
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 отличных друг от друга типов, каждый из которых представляет отдельный «первичный» запах, и что пахучие молекулы оказывают свое действие путем точного совпадения их формы с формой «рецепторных участков» на этих клетках. Он предположил, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, каждый из которых отвечает основному запаху. Его гипотеза являлась новым приложением концепции «ключа и замка», которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субъектами, антител с антигенами, молекул ДНК с молекулами РНК.
Дж. Эймур развил и детализировал теорию Р. Монкриффа. Потребовалось два усовершенствования: во-первых, установить сколько существует форм рецепторов, и во-вторых, определить размеры и форму каждого из видов рецепторов. Для установления количества видов рецепторов Эймур установил число основных запахов, считая, что каждый из них отвечает форме рецептора. Это было достигнуто при объединении 600 соединений, взятых из книги Монкриффа и Справочника Бельштейна, в группы на основе сходности запаха. На основании частоты встречающихся запахов, удалось выделить 7 запахов, которые можно было рассматривать как возможные первичные.
Из этих 7 первичных запахов может быть произведен любой известный запах при смешивании их в определенных пропорциях. Молекулы важнейших запахов могут совпадать только с одним видом рецепторов, тогда как молекулы сложных запахов должны подходить двум или даже большему числу видов рецепторов. Вероятность местонахождения молекулы соотнесена с числом форм подходящих рецепторов, поэтому важнейшие запахи встречаются реже, чем сложные.
Для того, чтобы воспринять семь первичных запахов, в носу, согласно теории Эймура, должно быть семь различных типов обонятельных рецепторов. Эймур представлял рецепторные участки в виде ультрамикроскопических щелей или впадин в мембране нервного волокна, каждая из которых имела своеобразную форму и величину. Предполагалось, что молекулы определенной конфигурации «вписываются» в каждый их этих участков подобно тому, как штекер входит в гнездо.
Следующая проблема заключалась в том, чтобы изучить 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 примерно одинаковый диаметр, равный семи ангстремам. Это означало, что рецепторный участок для камфарных соединений должен иметь форму полукруглой ниши 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. Прохладный мятный запах вызывается молекулами 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 стереохимическая теория обоняния Монкриффа-Эймура является наиболее признанной. Она прошла целый ряд экспериментальных проверок, доказавших правильность ее основных положений. Эймур синтезировал несколько молекул определенных форм, и все они обладали предсказанным запахом.
Вкус съеденного нередко надолго остается во рту, даже если почистить зубы после еды, а почему запах исчезает сразу же, как только удаляется его источник? Этим вопросом задался профессор Дорон Лансет из Института Вейцмана (Израиль). Оказалось, что в обонятельном эпителии носа имеются два фермента, задача которых — устранять «старые» запахи и готовить рецепторные клетки к восприятию новых. Эти ферменты разрушают пахнущие молекулы. Профессор Лансет полагает, что различной у разных людей активностью этих ферментов, можно объяснить разную индивидуальную чувствительность к запахам: у кого-то некоторые запахи разрушаются в носу так быстро, что он не успевает их как следует воспринять.