Как работает обоняние?

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.
 
Трехмерная структура диметилового эфира и этанола
 
Трехмерная структура диметилового эфира и этанола, две очень разные молекулы с абсолютно одинаковой химической формулой.
 
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.

«Научные истины всегда парадоксальны, если судить на основании повседневного опыта, который улавливает лишь обманчивую видимость вещей»

Карл Маркс

Научный подход на Google Play

Файлы

Бог как иллюзия

Как работает мозг?

Атеизм и научная картина мира

Восстание масс