Природа запаха

Участник:

Зинкевич Эдуард Петрович – кандидат химических наук, руководитель группы химической коммуникации и хеморецепции Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Александр Гордон: Может быть, мы всё-таки выясним, почему запах серы настолько стойко ассоциируется с чем-то не совсем хорошим, уж абсолютно потусторонним.

Эдуард Зинкевич: Обычно считают, что люди доверяют зрению, слуху меньше, а запаху совсем мало. Вот подтверждение: если я вам скажу «говорите громче», а приставлю палец так, вы поймёте, что я говорю про другое. То есть при противоречивой информации вы доверяете зрению. А у животных основной решающий фактор – это обоняние.

Что такое запах и обоняние? Запах – это ощущение, которое возникает у человека, когда определённые вещества – мы называем их летучими, то есть те вещества, которые дают много паров в газовое пространство, – при вдохе попадают на специализированные обонятельные клетки. Вот рисунок, из которого понятно, что эти клетки расположены в носовых проходах и они висят «вниз головой». Эти обонятельные клетки – это настоящие клетки мозга, которые выползли наружу. Человеческий мозг и мозг любого животного контактирует с внешней средой только в этом случае, это прямой ввод в мозг. Это настолько поразительно: все остальные зрительные, акустические рецепторы – это вторичные клетки, где переход от одной клетки в другую через определённые синапсы идёт до мозга. А это настоящие клетки мозга, которые ощупывают внешний мир.

А.Г. То есть сейчас, простите, я залезу пальцем в нос, это я мозг свой трогаю?

Э.З. Нет, обонятельные клетки находятся между глаз, они выше.

А.Г. Гораздо глубже.

Э.З. Вот хорошо видно на рисунке: белым обозначены как раз те обонятельные клетки, настоящие клетки мозга. А вот на следующем рисунке мы видим, как выглядят обонятельные клетки. Вот тело клетки, и сверху волоски. На самом деле они висят вниз головой. И вот на этих волосках расположены настоящие участки, называемые молекулярными рецепторами. Взаимодействие пахучих веществ с этой мишенью даёт электрический ответ, который идёт в мозг. И дальше центральная нервная система анализирует огромное количество электрических импульсов.

У нас, у людей, 10 в 8-й степени клеток, это огромное количество. И чтобы вы понимали разницу между обонянием собаки и человека, это выглядит так. Вот поверхность, которая воспринимает пахучие вещества у человека. Она огромная, 25 квадратных сантиметров, это 5 на 5 сантиметров. У собаки 7 квадратных метров.

А.Г. Метров?!

Э.З. Метров. Вот чтобы было понятно, насколько у них возможности больше, чем у человека.

А.Г. Потрясающе.

Э.З. Следующий рисунок это обычный дыхательный эпителий. Он так структурирован. А вот следующий рисунок покажет вам, как выглядят обонятельные клетки; вот это та поверхность, которая ловит летучие вещества, распространённые в воздухе.

А.Г. И вот этой поверхности у нас…

Э.З. И вот этой поверхности у нас 25 см, но это всё равно огромная, огромная площадь поверхности.

А.Г. А вот у друзей наших меньших…

Э.З. 7 квадратных метров. Поэтому я буду рассказывать о собаках с большим восхищением, хотя могу сказать, что мы пытались с ними конкурировать по индивидуальному запаху. И, например, некоторые люди в состоянии отличать индивидуальный запах мышей, крыс. Но не всех, а только некоторых. А любые собаки это делают легко.

Но что такое запах с точки зрения химика, какие вещества пахнут? Не все вещества пахнут. У нас, мы знаем сейчас, около 10 млн. органических веществ, и только 10% имеет запах. Значит, эти вещества вызывают ощущения, которые мы называем запахом. У животных, наверное, то же самое, но твёрдо доказать, что они точно так же чувствуют, как и мы, это нельзя.

Так вот, когда пахучие вещества дают нам электрический ответ, то в животном мире он несёт информацию вообще обо всём, об окружающей среде в социальном плане… Вот как выглядит обонятельная рецепторная клетка. Вот жгутики, которые висят сверху и снизу, это те белки, которые встроены в мембрану обонятельной клетки. И взаимодействие их с пахучим веществом вызывает электрический ответ, открываются ионные каналы, идёт ток, и это мы считаем запахом.

Можно следующий рисунок.

И тогда я перейду к молекулярным механизмам того, как возникают электрические ответы. Здесь участвуют ионы кальция, что очень важно для специалистов, ведь это данные последних 10-20 лет для обонятельного рецептора. Значит, если взглянуть в историю изучения обоняния, то оказывается, что первые сведения были получены в VI-V веке до нашей эры. Ученик Пифагора Алкмион Кротонский впервые описал орган обоняния. Тогда догадывались, что какие-то вещества отлетают от цветков, от чего-то другого и попадают в нос, и считали, что в носу есть щель в мозг. Эти вещества прямо в мозг попадают.

А.Г. Они недалеки от истины.

Э.З. Немножко, немножечко не догадались, нашли некий такой подход. И очень интересно, что в те времена эксперимент считался беднейшим средством познания. То есть главное было высказать идею, а остальные… Презумпция невиновности была у идеи. Её нужно было опровергать экспериментом. Сейчас это уже не так. Нужно идею высказывать и иметь доказательство, что и как есть.

Вот как выглядит схема физико-химических методов. Внизу – собирают летучие вещества, а сверху видно, когда анализируют хронотографически, как выглядит смесь с точки зрения физико-химического анализа. Принципиальная разница в том, что орган обоняния анализирует не так, как физики-химики, как мы. Я физико-химик по своему образованию. Мы смесь разлагаем во времени. Мы обязательно каждое вещество выделяем и анализируем, то есть смесь у нас идёт во времени, последовательно каждое вещество. Нос, имея 108 клеток, где, считается, рецепторов около тысячи, делает мгновенный анализ, параллельный, то есть он получает некие обонятельный образ. И я закончу своё сообщение некой идеей обонятельного образа, который показал Сальвадор Дали на зрительных образах. Это принципиальное отличие физико-химического анализа: мы смеси носом интегрируем, то есть мы мгновенно получаем интегральный анализ, а физико-химический анализ дифференцирует, он просто разбирает на отдельные компоненты. И поэтому до сих пор нет больших успехов в области анализа физико-химическими методами, если сравнить с биодетекторами – так называется орган обоняния.

Вот если посмотреть, что животные… Будем говорить о млекопитающих, потому что они ближе к нам: мы тоже млекопитающие. Так вот, у человека можно спросить, что он думает о запахе. А когда работают животные, мы должны интерпретировать либо их поведение, либо получать электрофизиологические ответы, либо какие-то другие ответы, которым нужно придумывать объяснение. С человеком было бы, конечно, попроще. Но дело в том, что у человека язык обонятельный не развит. Если мы говорим о пахучих веществах, то у нас абстрактного названия пахучих веществ как цветов нет. Поэтому мы обязательно запах привязываем каким-нибудь предметам.

А.Г. К источнику.

Э.З. К источнику, источнику запаха: моча, например, или цветы, или прочее.

А.Г. При этом я подозреваю, что когда мы с вами говорим «запах розы», мы имеем в виду совсем разные запахи и определяем, скорее, диапазон того, что входит в запах розы, а что нет.

Э.З. Вы сказали сейчас «совсем разное», и это действительно так, потому что, как показали исследования, мы, люди, индивидуально живём в другом обонятельном мире. И очень интересно. Возьмём меня и мою сотрудницу. У меня приличный мужской нос у неё тоже приличный нос, но женский. И оказалось, что по некоторым веществам она значительно чувствительнее меня, по другим – я чувствительнее её. И оказывается, если мы готовим смеси в равных количествах, то мы эти смеси воспринимаем по-разному. А если учитывать пороговые концентрации, это тоже очень важная вещь, когда оказывается, что люди, нюхая самые маленькие концентрации, могут их почувствовать и описать, узнать и прочее то чувствительность у разных людей на многие порядки отличается друг от друга. И поэтому смеси, чтобы люди их воспринимали одинаково, имея разные пороговые концентрации, нужно готовить соответственно порогам, не весовым коэффициентам, а совсем другим параметрам. Вот это удалось нам сделать.

Очень интересно, что пороговые концентрации описаны в книжках. Они существуют как физико-химические величины, и мне приходилось участвовать в определении порога в Америке, например, когда за каждое участие платили 20 долларов. Просто для участия и своих сотрудников нельзя было привлекать: это центр исследования химических чувств в Филадельфии. Я, поскольку был не свой, а посторонний, то тоже участвовал. И я занял довольно приличное место по своей чувствительности, по пороговым концентрациям. А платили, видите, по социалистическому методу, то есть всем одинаково. И пришло в голову тому, кто проводил эксперименты, что если доплачивать за более низкие пороги, то, наверное, это будет более истинная цифра. И вот оказалось, что действительно подскочили цифры на 200%, не у меня, правда. Я работал, правда, не за деньги, я просто повторил свои же данные. То есть мы на низкой зарплате делаем всё равно то же самое, что и на высокой. Я просто хочу сказать, что эти физико-химические данные, которые идут, очень сильно зависят от мотивации. То есть у научных сотрудников, которые работают в такой области, мотивацию, наверное, уже труднее поднять деньгами.

Можно следующий слайд. Уже идёт разговор о том, что люди нюхают так же, как и животные и в состоянии пол особи определить по запаху. То есть без всякой тренировки можно получить некое представление: вот это самка, это самец. И мы мгновенно в голове формулируем некую общую идею, почему, по каким признаком, мы не можем сказать но мы умеем отличать одно от другого. Это очень похоже на музыкальные аккорды. Если человек без абсолютного слуха, он не может разложить их на составляющие. Но отличить один аккорд от другого ничего не стоит. Вот так и здесь.

Я бы хотел сказать, что если определить цель, смысл жизни у животных или у живых организмов, то это не что иное, как сохранение во времени генетической информации. Иначе говоря, поскольку мы смертны, нам отведено определённое время, а информацию надо передать некой особи своего же вида, по крайней мере, и противоположного пола. И отсюда вытекает, что по каким-то признакам надо уметь отличать вид животных, с которым можно спариваться. И вот оказалось, что обонятельные сигналы очень легко позволяют это делать. Пол также легко определить, поскольку самцы и самки отличаются гормонально. Какие-то гормонозависимые вещества женские гормоны зависят от мужских имеют свои производные, и по этому можно определить пол. И вот если у нас 4 тысячи видов млекопитающих, то достаточно 12 разных веществ у каждого вида, чтобы закодировать все 4 тысячи видов.

Если определять пол, то для этого нужно всего одно вещество, например мужское или женское. Его отсутствие будет говорить об обратном. То есть это разбиение всех образцов, которые пронюхивают, на классы, где классов мало. И самый трудный вариант, это индивидуальный запах. Известно, что каждая особь имеет свой неповторимый индивидуальный запах, который позволяет с помощью органа обоняния отличать её от любой другой. У людей это не так хорошо развито, а у собак это применяется в криминалистике. И очень легко дрессируют собак, например, дрессирует известный в нашей стране, в Москве, исследователь Клим Тимофеевич Сулимов, который около 30 лет готовил группу собак для распознавания индивидуума во ВНИИ МВД СССР, потом России, и сейчас в Шереметьево эти собаки работают. Было непонятно, как же можно классифицировать индивидуумов, когда число образцов, которые надо понюхать и число классов одно и то же. То есть каждый индивидуум свой. Это сложная проблема, когда по ДНК отличают индивидуума, и там есть свои математические методы. А химиков больше всего интересовало вот что: человек выделяет огромное количество веществ на любой своей поверхности, тысячи, десятки тысяч веществ. Какие-то из них, наверное, несут информации об индивидууме, его поле и прочее, но какого типа эти вещества, как их определять? Когда делается обычный газохроматографический анализ, то проводится анализ кислот, к которым мы пришли экспериментально следующим образом. Собаки, когда различают запах, то приблизительно на таком круге раскладываются 10 образцов индивидуального запаха – это матерчатая полосочка, которую нужно подержать под часами или на теле 20 минут. И достаточно их разложить и дать собаке понюхать, чтобы впоследствии она нашла этот образец.

Очень интересно, что при такой тренировке собак подкармливают. То есть её научают, исходя из любого участка вашего тела, находить вас по любому другому, то есть, понюхав ладонь, она может найти остатки волос, или отпечатки пальцев, или ещё что-нибудь. И вот когда вы знаете решение задачи и подкармливаете собаку за правильное решение, это один вариант. А когда вы сами не знаете решения, она проводит исследование, а вы должны её подкормить, и если она неправильно определила, а вы её подкормили, то вы собьёте её настрой. Так вот, Клим Тимофеевич Сулимов со своими коллегами придумал следующее – для меня это просто уникальный вариант. В этом круге, по которому собака ходит и где неизвестно, где что расположено, последний образец будет обязательно тот, который она запомнила. Если ничего она не нашла, она всё равно получит подкрепление на последнем образце. Это замечательное решение, потому что многие исследователи не верили собаке. Потому что чисто теоретически, когда она решает неизвестную задачу, а вы её подкармливаете, вы её можете сбить, и так действительно происходит. А система, которая разработана у нас с собаками, оказалась хорошей. И вот с этими людьми мне пришлось немножко поработать. Оказалось, что есть разные классы веществ, которые выделяет человек, и среди них есть кислоты. Не те легколетучие, вроде изовалериановой (это запах пота), а как раз кислоты, которые тяжёлые и мало летучие. Эта изовалериановая кислота, если использовать аналогию с животными, улетает в воздух, как птица, а вот тяжёлые, скорее, расползаются, как змеи, не улетают, их нужно собирать с поверхности.

Мы обнаружили, что, если я ваш источник запаха обработаю какими-то химикатами, которые кислоты блокируют, они перестают летучими быть, то есть собака вас не может найти. Я восстанавливаю она находит. Но это определённые типы собак.

А оказывается, что при условии, когда она не может по кислотам определять, её можно доучить, и она будет это делать по другим веществам. Это уже не то.

Вот про индивидуальный запах я, пожалуй, на этом закончу. Единственное добавлю, что задача, которая стоит сейчас перед технарями, это создать некое электронное устройство, некоторую искусственную систему, которая была бы аналогом носа.

А.Г. Причём не нашего, а собачьего, наверное.

Э.З. Лучше, конечно, собачьего, потому что мы проигрываем уже просто по внешним данным, я уже не говорю по внутренним. Но все попытки создания таких искусственных носов, которые были до сих пор… Это пишется по аналогии с электронной почтой: e-mail – «e-nose», то есть электронный нос. Так вот, это были скорее физико-химические попытки создать новый детектор. А собака реагирует на многие вещества одновременно, иначе говоря, это мгновенный анализ по многим веществам. А химический анализ проходит по одному веществу. Это совсем не то. И оказывается, что есть металлические поверхности, которые при присутствии в воздухе определённых веществ, меняют электрические свойства, и это можно фиксировать. Есть много вариантов, но они не соответствуют всё-таки носу. И у нас была попытка (статья опубликована) построить некие элементы обоняния, то есть построить систему, которая использовала бы элементы обоняния. Но это оказалась сложная система с некой плёнкой, которая пропускает некоторые вещества. Но главное в ней было то, что летучие и пахучие вещества переводили в кванты света, то есть мы занимались визуализацией запаха. Вот если я вам дам что-нибудь понюхать, вы не сможете по телевизору этот запах передать. Хотя были какие-то разговоры о том, что это можно сделать, но уверяю вас, это сделать нельзя.

А увидеть, оказывается, некоторые вещества можно. Главным разработчиком был не я, а мой коллега. Так вот, в темновой адаптации, когда пахучее вещество пролетает в системе, которую мы создали, оно вызывает кванты света, и некоторые вещества вы видите, а другие вы не видите. И оно может в виде букв, цифр фиксироваться. Это «odour visualisation», как мы назвали, «визуализация запаха». Это, действительно, увлекательная область.

Но наиболее интересны варианты с молекулой андростенона. Химикам это было бы очень понятно, это стероидная структура. Впервые это вещество было опубликовано в 42-м году уже лауреатом Нобелевской премии Прелогом. Он из семенников хряка, самца свиньи, выделил некое вонючее вещество, которое он описал таким образом: оно имеет запах, как будто в сосуде долго стояла моча. Так это было описано на немецком языке. Но потом статья была забыта. И в 50-е годы Паттерсон в Англии переоткрыл это вещество. Задача у него была такая: запах самцов свиньи имеет неприятный оттенок, из-за которого мясо приобретают нетоварный вид и не нравится женщинам. И нельзя ли узнать, что это такое, и что-то придумать. И обнаружилось, что этим запахом обладает подчелюстная железа, то есть не та слюна, которая течёт в рот, а некое густое, имеющее очень неприятный запах вещество. Он заново открыл это вещество, которое имеет сложное химическое название, но его просто называют «андростенон». Структурно он очень похож на мужской половой гармон, хотя отличается немножко. Но особенность заключается в том, что это вещество не имеет никаких гормональных свойств. А оказалось, что запах хряка, если дать его свинье в определённом состоянии, когда она готова к спариванию, у неё вызывает позу неподвижности. И вот тут было замечено, и был взят патент, что это вещество можно использовать для животноводства, при искусственном осеменении, чтобы выявлять тех свиней, которым можно делать искусственное осеменение.

Я впервые встретился с этим веществом на «круглом столе» в Швеции; один немец, Гюнтер Олоф, привёз аэрозоль с этим веществом. Он уже кое-что знал, и поэтому, когда остались одни мужчины, он им брызнул, говоря, что это вещество мужчины не чувствуют. Я в этот момент прекрасно своим носом пользовался. И когда он сказал «мужчины не чувствуют», я про себя ухмыльнулся, но действительно, мы ничего не чувствовали. В этот момент зашла женщина, она схватилась за нос, закрыла его, и у неё были просто испуганные глаза. Меня жутко заинтересовало вещество. Я выклянчил немножко у Олофа, и когда приехал к себе, мы тут же его синтезировали. И действительно, удивительно, это вещество мужчины на 80% не воспринимали, то есть они его просто не чувствовали.