В. АЗЕРНИКОВ, Тайна запаха

Этой тайне столько же лет, сколько и тем, кто пытается ее разгадать, — она родилась вместе с человеком.

Обоняние — единственное из всех пяти наших чувств, природа которого до сих пор не до конца раскрыта учеными. Откуда берется запах? Чем он вызван? Почему вещества пахнут по-разному? Как мы воспринимаем эту огромную гамму запахов? Иными словами, что такое запах?

Подобные вопросы давно волновали людей, но ответа на них не было.

ВОЗРАСТ АРОМАТОВ

Эта проблема, как многие другие, имеет две стороны: теоретическую и практическую. И вышло так, что ученые-практики значительно обогнали ученых-теоретиков. До сегодняшнего дня еще не создана сколько-нибудь законченная, признанная теория обоняния, но имеется очень много серьезных практических работ по созданию различных душистых веществ.

Описаний работ первых парфюмеров вы не найдете в научных журналах: они дошли до нас в нетронутых тысячелетиями творениях древних мастеров. При раскопках гробницы египетского фараона Тутанхамона были найдены бальзам и благовония, которые до наших дней сохранили свой изумительный аромат.

Раньше искусством запахов владели немногие, сейчас это целая отрасль промышленности — парфюмерная.

Многие века человек пользовался для создания различных душистых веществ тем, что дала ему природа: розовым маслом, маслом сандалового дерева, мускусом. Развитие парфюмерной промышленности поставило перед химиками-синтетиками задачу создать искусственно природные запахи.

Самый простой, но не самый короткий путь состоял в копировании природы. Простой —- потому что в данном случае работа сводилась к выяснению структуры молекул природного вещества и механическому воспроизведению этой структуры; не короткий — потому что молекулы натуральных веществ имели часто очень сложное строение.

Однако этот путь все-таки необходимо было пройти: нельзя стать зрелым, минуя детство. Эти исследования дали определенную пользу: были синтезированы первые искусственные душистые вещества. Но следующим, качественно более высоким этапом должно было стать не простое подражание природе, а разумное, рациональное воспроизведение запахов.

ТЕОРИЯ НАЧИНАЕТСЯ С ВОПРОСОВ

Для этого нужно было сначала выяснить одну принципиальную вещь: вся ли молекула «пахнет» или только ее какая-то часть? Сначала ученые решили, что ответственными за запах в молекуле являются функциональные группы, так называемые осмофоры, такие, как, например, алкогольная, фенольная или нитрогруппы. Однако лишь эти группы, еще не могут служить признаком запаха, так как известны вещества, имеющие осмофорные группы, но никаким запахом не обладающие. Тогда было высказано предположение, что запах зависит и от структуры молекулы, в которую входят осмофоры, — эти структуры были названы осмогенами — и от характера связи между ними (типичный осмоген — ядро бензола, который является родоначальником многих душистых веществ). Впоследствии различные ученые эмпирически установили еще много таких «мостиков» — около сотни, связывающих запах с химическим строением.

Но, несмотря на это, химической теории запаха установить не удавалось. Слишком много было нагромождено для химического объяснения запаха. А истина большей частью проста. Кроме того, значительным препятствием к признанию химической теории служил и тот факт, что химики, создавая искусственно природные душистые вещества, получили соединения, обладающие похожим запахом, но имеющие различное строение; и наоборот — вещества с близким строением имели совершенно различные запахи.

Очевидно, разгадку следовало искать не в химическом строении, а в чем-то другом.

ХИМИЯ ИЛИ ФИЗИКА?

Первым, кто высказал рациональную идею об истинной природе запаха, идею, к которой сегодня пришло большинство ученых, был гениальный М. В. Ломоносов. Еще в 1765 году он писал о колебательных (коловратных) движениях частиц эфира как о возбудителе органов чувств, в том числе зрения и обоняния. Последующие сто пятьдесят лет ученые занимались в основном тем, что уходили от этой идеи в противоположную — химическую сторону. И только в последнее время они стали все больше склоняться к убеждению, что запах связан с электромагнитными колебаниями молекул.

Но только ли разочарования привели ученых к мысли о физической природе запахов? Не похоже ли это на доказательство способом от противного: раз не химия — значит, физика?

Нет, не только. К этим выводам ученые пришли, отталкиваясь и от некоторых позитивных фактов. К ним относятся, в первую очередь, явление комбинационного рассеяния света молекулами пахучих веществ и их особое отношение к ультрафиолетовым и инфракрасным лучам. Останавливаться на этом подробно здесь не имеет смысла, заметим только, что подобные данные помогли направить поиски в нужную сторону.

ПОДВОДНЫЕ РИФЫ

Но и на этом, казалось бы, верном пути ученых ожидало немало подводных рифов. И если некоторые из них преодолевались научной мыслью относительно легко, то были и такие, которые не удавалось обойти сразу. Одним из таких рифов, на который на долгое время, как на мель, сел корабль физической теории обоняния, был вопрос о механизме возбуждения нервного импульса. В самом деле, каким образом слабые колебания молекул пахучих веществ улавливаются нервными окончаниями обонятельных рецепторов?

Химическая теория запаха давала этому объяснение, пусть не совсем очевидное, но все же давала. Согласно ей, возбудителем нервных элементов являются продукты химического взаимодействия пахучих веществ с клеточными белками. А что могла предложить в ответ физическая теория? Сначала ничего убедительного. Но позже, когда в результате работ различных ученых появились новые биофизические взгляды и кванто-химические представления, волны этого мощного прилива современных идей сняли корабль физической теории с мели.

НЕДОСТАЮЩЕЕ ЗВЕНО

Итак, понадобилась помощь смежных наук. Это закономерно. Процессы, протекающие в нашем организме, взаимосвязаны, они представляют собой звенья одной и той же цепи. И естественно, держа в своих руках два крупных звена, ученым легче подобрать к ним среднее, недостающее. Это похоже на кроссворд: отдельные буквы искомого слова, полученные при отгадывании смежных слов, помогают проверить ответ.

Так произошло  и в теории обоняния. Условно ее можно разделить на три части: первая — это вопрос о том, чем «выражается» запах, вторая — как он передается обонятельным рецепторам и, наконец, третья — как это «сообщение» доходит до обонятельных центров головного мозга.

Ответы на первый и третий вопросы были получены раньше, чем на второй; возможно, без них второй ответ вообще бы не родился. Располагая двумя звеньями, ученые могли проверить правильность недостающего: конец одного служил началом другому. И обратно: если звено хорошо укладывалось в общую цепь, это подтверждало и правильность выбора крайних звеньев.

НА ПРОВОДЕ — ЗАПАХ

Механизм выражения запаха молекулами пахучих веществ можно считать более или менее общепризнанным. Это — низкочастотные колебания, лежащие в далекой инфракрасной области спектра. Так как из попыток установить связь между химическим строением вещества и его запахом ничего не вышло, эти колебания должны быть эффектом всей молекулы, а не отдельных ее групп. Группы, может быть, и вносят свой  «вклад» в запах, но в пределах общей архитектуры молекулы.

Так же можно считать достаточно вероятным и предложенный механизм передачи нервного импульса от рецепторов к головному мозгу.

Клетки головного мозга соединены с нервными окончаниями «кабелями» — нервными волокнами. Волокна эти представляют собой очень длинные полые трубки с диаметром от 83 стотысячных до 83 сотых миллиметра. Они несут на своей поверхности электрические заряды: на внутренней — отрицательный, на внешней — положительный. Сущность нервного возбуждения заключается в перезарядке этого двойного электрического слоя. Под влиянием возбуждения заряды на какое-то мгновение меняют знаки, а потом возвращаются в исходное положение. Для того, чтобы вызвать перезарядку, требуется определенная величина сигнала. Но вот что интересно: сколько бы ни пытались превышать эту величину сигнала, импульс будет один и тот же. Иными словами,, импульс возникает по закону «все или ничего». Точно так, как громкость звонка в квартире не увеличится от того, если сильнее нажимать на кнопку; важно, чтобы ваше усилие было достаточным для замыкания контакта.

Но если представить себе нервное волокно как простой телеграфный кабель, по которому молекулы пахучих веществ посылают «телеграммы» головному мозгу, это не объяснило бы особой проводимости волокон. Ведь известно, что наши нервные волокна — очень неважные проводники, в них сигнал, пройдя пять миллиметров от «передаточной станции», полностью затухает. Поэтому на самом деле устройство нервных волокон сложнее. Это не просто кабель, это целая система, включающая в себя цепь «релейных станций». Эти станции, расположенные вдоль кабеля, усиливают затухающий сигнал, передают его от одной точки к другой, там он, уже ослабевший, усиливается следующей релейной станцией и так далее. Таким способом нервный импульс, несущий информацию о запахе, прерывисто, с помощью специального электрохимического релейного механизма, пересекает огромные для него расстояния за миллионные доли секунды.

ШИФРОВАННЫЕ ТЕЛЕГРАММЫ

Но теперь возникает другой, не менее важный вопрос: каким же образом природа ухитряется зашифровывать свойства запаха — его силу и оттенок? Ведь величина возбуждения не влияет на силу сигнала.

Для ответа на этот вопрос ученым пришлось потратить немало усилий на то, чтобы разобраться в «телеграфном хозяйстве» человеческого организма.         _;

Нервный импульс, всегда одинаковый по величине, можно представить как элемент шифровального кода. Различные сочетания этих элементов позволяют зашифровать любую, самую сложную телеграмму. В нашем организме от обонятельных органов к головному мозгу проложено около 45 тысяч каналов связи — нервных волокон, по которым может идти передача информации. И в зависимости от того, какие каналы подключаются к передаче и с чем они соединяются на приемной и передаточной станциях, может меняться смысл передаваемой информации. И даже в пределах одного кабеля — нервного волокна — этот смысл можно варьировать изменением промежутков между двумя следующими друг за другом импульсами.

Таким образом, информационные возможности нашей обонятельной системы поистине колоссальны. Достаточно сказать, что с помощью этого шифра можно передать свыше 16 миллионов различных «сообщений» о характере запаха. Этого более чем достаточно для того, чтобы «описать» любой из существующих в природе запахов.

Исследуя этот очень интересный механизм передачи нервного импульса, ученые установили следующую закономерность. Для того, чтобы возбудить в нерве нормальный электрический сигнал, совершенно не требуется точно такое же по величине возбуждение, для этого достаточно, и десяти процентов возникающего в нерве тока. То есть причина возбуждения может быть значительно слабее его следствия.

Это очень важный вывод. Ведь одним из основных возражений против физической теории было кажущееся очевидным положение, что сравнительно небольшой квант энергии, соответствующий колебаниям в далекой инфракрасной области, не может вызвать появления нервного импульса значительно большей энергии. А оказалось — очевидное не так уж очевидно.

К тому же усиление возбуждения происходит и при самой «подаче телеграммы».

МОЛЕКУЛЫ «НЕРВНИЧАЮТ»...

Начнем с одной существенной детали, хотя поначалу она может показаться и не столь уж важной. В нервных окончаниях присутствует обонятельный пигмент, окрашенный в довольно темный желто-коричневый цвет. Состав его пока еще неизвестен, но можно предположить, что в его молекулах, как и вообще в пигментированных молекулах, имеется много сопряженных связей или хромофорных групп. Значит, в молекуле присутствуют слабо связанные электроны. А их уже нетрудно возбудить сравнительно небольшими квантами света в видимой области. При возвращении из возбужденного состояния в обычное электроны отдают полученную энергию, и это характеризует цвет пигмента. Об этих достаточно известных вещах, может быть, и не стоило бы подробно говорить, если бы они не давали ключа к пониманию тех удивительных процессов, которые происходят, как считают авторы этой гипотезы, при возбуждении обонятельного нервного импульса.

Ученые полагают, что возбуждение электронов молекул пигмента может случиться не только под действием кванта света, но и при химическом взаимодействии. Тот факт, что они окрашены, говорит о том, что их гораздо легче возбудить, чем соседние с ними неокрашенные молекулы. А возвращение из возбужденного состояния в обычное может обеспечить то перераспределение заряда, которое необходимо для возбуждения нервного импульса.

Это становится объяснимым и понятным, если предположить возбужденное состояние более полярным, чем основное. Тогда при переходе действительно будет происходить локальная деполяризация хромофорных групп.

Так как этот разряд молекулярных диполей происходит в очень маленьких обонятельных волосках, то ясно, что разряд всего даже нескольких молекул может вызвать необходимый нервный импульс.

Теперь осталось самое важное: показать, каким образом приближение к нервному окончанию пахнущей молекулы, колеблющейся с определенной частотой, может вызвать такую дезактивацию.

СВЕТОФОР ОТКРЫТ

В принципе возвращение молекул из возбужденного состояния в обычное могло бы легко происходить под действием излучения, если бы... это было всегда разрешено. Но сама природа химической связи, как строгая гувернантка, позволяет это далеко не всегда. Если переход с одного колебательного уровня на другой «не разрешен», если химический светофор показывает красный свет, электронам ничего не остается, как ждать, пока загорится зеленый. В этом отношении они более дисциплинированны, чем люди. Но что может разрешить этот переход, кто включит зеленый свет? Оказывается, сама пахнущая молекула.

Из физики хорошо известно, что две приблизительно одинаковые колебательные частоты, складываясь, дают две частоты: одну, немного выше, другую немного ниже исходных.