Как работает обоняние?

Человеческое чувство обоняния (как и у большинства животных) работает в стиле, похожем на систему определения цветов. Небольшие молекулы, входящие в наши ноздри, формируют химические связи с особыми молекулами «обонятельных рецепторов» в носу. Они связаны с отдельными нейронами высоко в носовой полости. Когда обонятельный рецептор соединяется с молекулой из воздуха, он заставляет нейрон послать сигнал в мозг, который собирает сигналы от различных нейронов и затем перерабатывает их в то, что мы ощущаем как запах.
 

Однако восприятие запаха гораздо более сложное, чем восприятие цвета. В то время как сетчатка глаза человека содержит только три различных типа клеток, различающих цвета, при этом каждая чувствительна к достаточно широкому диапазону длин волн, человеческий нос содержит несколько сотен типов нейронов-рецепторов для распознавания запахов. Конкретная молекула запаха, попадая в нос, может заставить реагировать сразу несколько рецепторов, и различные комбинации рецепторов ощущаются как различные запахи. Молекула из моего любимого чая возбудит ряд рецепторов, скажем, #3, #7 и #122, в то время как молекула, воспарившая от кофе сидящего рядом человека, заставит среагировать другие – #3, #24 и #157. Некоторые из тех же самых нейронов будут вовлечены в реакцию, но получившаяся в результате комбинация, а соответственно и ощущаемые запахи, будут совершенно различными.

 

Огромное разнообразие рецепторов ведет к большому количеству возможных для восприятия запахов. В то время как исследования цветного зрения предполагают, что люди могут различать несколько миллионов слегка отличающихся цветов, недавние оценки дали число комбинаций запахов, которые мы можем различить, примерно в триллион.

 

Другое различие между обонянием и зрением в том, что механизмы, по каким срабатывают рецепторы запахов, остаются еще предметом споров. Цветное зрение хорошо понятно, поскольку процесс поглощения фотонов, когда частица света заставляет молекулы переходить в другие состояния, что, в свою очередь запускает сигнал в нейроне. Каждый из отдельных фотонов, который был увиден, полностью описывается одной частотой, делая отклик светочувствительных клеток в глазу недвусмысленным и легко предсказуемым.

 

Обоняние, в свою очередь, опирается на химические процессы, чтобы различить молекулы. Они могут невероятно варьироваться по своей структуре, иногда за счет очень тонких форм. Две молекулы с одинаковым составом в терминах количества атомов конкретных элементов могут различаться по расположению этих атомов, и эти структурные различия приводят к драматически различающимся свойствам. Если вы возьмете атом кислорода, два атома углерода и шесть атомов водорода и соедините их вместе с помощью двух атомов углерода, с одной стороны, и атома кислорода, вы получите этанол – жидкость при комнатной температуре и активный ингредиент в алкогольных напитках. Если вы возьмете тот же набор атомов, но зажмете атом кислорода между двумя атомами углерода, вы получите диметиловый эфир, который будет газом при комнатной температуре и используется как наполнитель в аэрозольных баллончиках.

 

 

 

Система распознавания запахов в нашем носу улавливает некоторые из этих тонких вариаций в расположении атомов, позволяя нам ощущать химически схожие молекулы как очень разные запахи. Существуют две конкурирующие теории, как рецепторы в носу различают различные молекулы. Наиболее популярной из двух считается «теория форм», которая говорит, что различные типы рецепторов соответствуют трехмерной структуре атомов детектируемой молекулы. Конкурирующая с ней «вибрационная модель» утверждает, что рецепторы различают свои целевые молекулы по тому, как те движутся. Атомы внутри данной молекулы будут колебаться туда-сюда на частотах, характерных для этой конкретной молекулы, и зависят от того, как организованы ее атомы. Адепты вибрационной теории уверяют, что данный рецептор срабатывает от присутствия атомов, вибрирующих в пределах определенного диапазона частот.

 

Ни одна из этих моделей не преуспела, каждая достаточно хорошо работает при объяснении результатов некоторых экспериментов, но применительно к ряду других не может дать объяснения. Полное объяснение распознавания запахов возможно при объединении обеих теорий: некоторые рецепторы в первую очередь чувствуют форму, а другие – улавливают вибрацию.

 

Однако каждую модель можно назвать квантовой. Как частоты вибрации конкретной молекулы, так и форма этой молекулы зависят от ее трехмерной структуры. Она определяется квантовым поведением электронов, которое точно определяет, как атомы соединить вместе, сколько данный атом может присоединить к себе других атомов, насколько крепки будут эти связи, какой угол между связями возникнет и так далее.
 

Объяснение этих связей требует более глубокого взгляда на поведение электронов, чем мы можем получить от модели атома Бора. Это также требует введения в оборот абсолютно нового свойства, ему нет аналогии в классической физике, что окажется существенным для широкого круга повседневных явлений. Чтобы сделать этот шаг, мы сначала должны совершить краткую экскурсию по истории химии и классификации атомов.