Мы уже не раз рассказывали вам о том, как наш нос распознает запахи, об их природе. В частности, мы уже писали о работе лауреатов Нобелевской премии Ричарда Акселя и Линды Бак, которые были удостоены высшей научной награды именно за изучение механизма обоняния. Но как ныне выясняется, предложенная ими теория — не единственная в своем роде.

Впрочем, лучше все по порядку.

Где замок, там и ключ…

Изучением запахов наука занимается очень давно. Скажем, еще древний грек Тит Лукреций Кар, автор поэмы «О природе вещей», написанной свыше 2000 лет назад, предложил такое объяснение чувству обоняния.

Он полагал, что в полости носа есть маленькие отверстия-поры, различные по размерам и формам. Всякое пахучее вещество испускает крошечные частицы, которые входят в соответствующие поры полости носа, словно ключ в замочную скважину.

Позднее природу запахов ученые попытались объяснить особенностями химического состава вещества. Частицы Лукреция получили название молекул. Каждая молекула, дескать, имеет свою пространственную форму, отсюда и разница в запахах. Однако довольно скоро выяснилось, что в природе есть немало соединений, которые имеют почти одинаковое строение, состоят из одних и тех же атомов, а пахнут совершенно по-разному.

Теория «ключа и замка» оказалась верной лишь в самом первом приближении. Пахучее вещество действительно должно обладать рядом определенных свойств.

Скажем, оно должно быть летучим, только тогда его молекулы смогут достичь органов обоняния. Что же касается формы молекул, то исследования с помощью самой современной аппаратуры показали, что между формой молекулы и ее запахом нет такого уж строгого соответствия.

Тем не менее, даже человек с его несовершенным обонянием способен различать тысячи различных запахов.

А, скажем, собаки с их изощренным чутьем различают сотни тысяч запахов. Как им это удается? В этом и попытались разобраться Ричард Аксель, Линда Бак и их последователи.

Нобелевские лауреаты на молекулярном уровне изучили нейрофизиологический механизм обоняния, позволяющий живому существу легко различать в среднем около 10 000 запахов. Сама Линда Бак пояснила этот механизм так: «Распознавание запахов начинается в полости носа, на том участке слизистой оболочки, где расположены миллионы специализированных сенсорных клеток, которые атакуют молекулы пахучих веществ. Сигналы от них передаются затем в соответствующий отдел головного мозга, именуемый обонятельной луковицей. А оттуда — в другие отделы головного мозга, которые, в конце концов, и позволяют нам осознанно различать запахи, испытывать связанные с ними эмоции…»

Все дело в генах?

Такое описание, правда, следует признать не очень точным, лишенным многих подробностей. А они таковы. Обоняние, как уже говорилось, долгое время оставалось наиболее загадочным из чувств. Эксперименты, в ходе которых животным давали нюхать самые различные пахучие вещества, измеряя при этом электрическую активность обонятельных нейронов, не принесли особой ясности. Одни и те же клетки реагировали на разные запахи с неодинаковой интенсивностью.

Успех пришел лишь после того, как Аксель и Бак подошли к проблеме с другой стороны. Они решили выявить и описать обонятельные рецепторы. То есть протеины, расположенные снаружи на мембране обонятельных клеток и способные улавливать молекулы пахучих веществ-одорантов.

Отыскать те гены, которые кодируют эти белки, оказалось не очень сложной задачей. Оставалось определить, какие из них активны в обонятельных клетках, и только в них.

Однако из этой затеи тоже ничего не вышло. Почему?

Причина стала понятна лишь после того, как исследователи выяснили: рецепторов этих огромное множество и все они разные. А главное, они синтезируются в организме в ничтожных количествах. Так что выловить их — весьма сложная задача.

Впрочем, поиск генов, кодирующих обонятельные рецепторы, значительно упростился после того, как Бак сформулировала основные критерии, которым они должны были удовлетворять. В частности, выяснилось, что эти рецепторные протеины имеют определенную структуру.

Круг поиска сузился, и в итоге удалось обнаружить целые семейства подобных генов. Причем оказалось, что их свыше 1000! Тем не менее, теперь стало понятно, какие именно гены и как отвечают за обоняние. Больше всего научный мир поразило, что их столь много — три процента всего генома. И это у человека. А ведь у животных нюх куда острее. А стало быть, и генов обоняния должно быть куда больше.

В носовой полости на площади всего нескольких квадратных сантиметров (у человека, например, около 6 кв. см) расположено около 30 млн. клеток обонятельного эпителия. Причем каждая из них имеет на поверхности мембраны лишь один какой-то вид рецепторного белка.

И, стало быть, способна воспринимать ограниченное количество родственных запахов.

Упрощенная схема, покалывающая различие между теорией «замка и ключа» (слева) и теорией вибраций (справа).

Таким образом, теория «ключа и замка», о которой некогда писал Лукреций Кар, все-таки отчасти верна.

Данный рецептор-«замок» срабатывает лишь в том случае, если ощущает определенный запах-«ключ». Лишь в этом случае от данного рецептора поступает соответствующий сигнал в обонятельную луковицу головного мозга. Здесь расположено около 2000 узкоспециализированных образований — так называемых клубочков; они осуществляют прием сигналов от соответствующих рецепторов, их обработку и передачу информации в другие отделы мозга.

Вариации вибраций

На том вроде бы можно было и успокоиться. Да не тут-то было! Похоже, кое-кто вовсе не прочь получить еще одну Нобелевскую премию за расшифровку секретов запаха. Во всяком случае, биофизик итальянского происхождения Лука Турин, живущий ныне в США, недавно обнародовал еще одну, так называемую «вибрационную», теорию распознавания запахов. Научный сотрудник Массачусетского технологического института еще в 1996 году предположил, что запах разных веществ определяется не формами молекул, а частотой колебаний атомов в них.

Видимо, электроны молекулы пахучего вещества способны перейти к рецептору только при определенной частоте, полагает Турим. Иначе на пути частиц вырастает энергетический барьер. В случае, когда «аромат» подходит рецептору, возникают квантовые эффекты, происходит туннелирование частицы.

Для проверки своей теории ученый решил научить дрозофил различать «ароматы» одинаковых по форме молекул. Для этого он и его коллеги соорудили Т-образный лабиринт, в котором мушка могла выбрать одно из направлений. Первый коридор пах ацетофеноном (одним из распространенных в парфюмерии душистых веществ). Второй исследователи «надушили» тем же веществом, но в нем атомы водорода были заменены на дейтерий.

Если бы дрозофилы ориентировались только по форме молекул, то они не смогли бы различить запахи, уверяет Турин. Однако эксперимент показал, что ацетофенон без дейтерия был мушкам больше по душе. Как они его выявили?

Лука Турин полагает, что все дело в частоте колебаний молекул. Когда атом водорода заменяется атомом дейтерия, общая форма молекулы вещества остается той же. Но лишний нейтрон дейтерия увеличивает массу атома, как следствие изменяется частота колебаний молекулы.

Однако дрозофилы в роли экспертов убедили далеко не всех ученых. Даже если мушки и в самом деле различают изотопы одного и того же элемента, это отнюдь не означает, что дело в вибрациях. Вполне возможно, что различия в неких иных свойствах веществ, полагают скептики.

Биохимик Лука Турин .

Впрочем, Турин с коллегами намерены доказать свою правоту. Сейчас они проводят генетические исследования дрозофил, чтобы определить, какие аминокислоты в рецепторах помогают им различать изотопы. Их поддерживают и ученые из Лондонского университетского колледжа, которые оценили вероятность туннелирования электронов и пришли к выводу, что этот процесс теоретически возможен. Однако и они считают, что теорию неплохо бы подкрепить еще и экспериментами.

Таким образом, ставить окончательную точку в исследованиях запахов еще рано. Продолжение следует…

А. ПЕТРОВ

Кстати…

ЧЕМ ПАХНЕТ КОСМОС?

Американские ученые, опросив астронавтов, похоже, выяснили, какой запах у космическопространства, пишет газета Daili Mail.

«Когда я был на МКС, я чувствовал аромат прожаренного мяса, запах горячего металла и сварки», — описал свои ощущения один из членов экспедиции на Международную космическую станцию Тони Антонелли.

Его коллега Томас Джонс, вернувшись с орбиты, помимо перечисленных Антонелли запахов, прибавил, что он на борту станции чувствовал привкусы «слабого едкого запаха», напоминающего серу.

Еще один астронавт — Дон Петтит — отметил, что почувствовать запах непосредственно в космосе, конечно, невозможно, но по возвращении внутрь корабля многие явственно ощущают необычные запахи, исходящие от поверхности скафандра, шлема, рукавиц и приборов, которые побывали за пределами станции.

Химики NASA предполагают, что металлический «привкус» запаха может исходить при высокоэнергетических колебаниях ионов. Другое объяснение — запах создают полициклические ароматические углеводороды; эти органические соединения образуются при горении, которое происходит во время гибели звезд. На Земле этот запах сопровождает любой термический процесс, связанный со сжиганием органического сырья — например, при жарке мяса.