Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

Восприятие запахов обладает для большинства видов животных колоссальной важностью: ольфакторный опыт регулирует многие аспекты их жизни. Выживание индивидуальных особей и сохранение вида в целом зависят от полноценной работы ольфакторной системы. Именно при помощи обоняния животные отличают хорошую пищу от испорченной и выявляют токсичные вещества, присутствующие в потенциально съедобном корме. Способность почуять добычу жизненно важна для всех хищников не менее, чем для жертвы – способность почуять хищника, осознать его присутствие и вовремя спастись. Посредством запахов потенциальный партнер для спаривания заявляет о своем присутствии и доступности представителям того же вида. Во многих случаях само узнавание особи своего вида, пригодной для спаривания, основывается на обонятельных сигналах, более непосредственных и четких, чем визуальные, и потому позволяющих избежать безуспешных попыток спариться с особями другого вида. Так обстоят дела, например, у насекомых. К тому же у некоторых насекомых – например, у муравьев и медоносных пчел – сложный ольфакторный язык регулирует иерархические отношения в социуме и помогает распознавать особей из чужих социумов.

Итак, у большинства видов животных обоняние играет критически важную роль для выживания и размножения. Но у человека оно всего лишь делает жизнь проще и приятнее. Мы не общаемся друг с другом на языке запахов, хотя и воспринимаем окружающие ароматы как существенную часть общей картины мира. Именно обоняние помогает нам определять качество пищи, и это одна из важнейших задач, которую выполняет для нас нос.

На самом деле богатством и разнообразием вкусов наша еда обязана в основном запахам. Достаточно лишь немногим летучим молекулам проникнуть в нос и простимулировать рецепторы, чтобы человек почувствовал разницу между блюдом, которое приготовил хороший повар, и продуктом фастфуда, между зрелым вином и простым, столовым. Эти несколько молекул заставляют нас платить в ресторане больше денег и свидетельствуют, что гедонизм – это важно.

Парфюмерия, еда и окружающая среда

У нашего биологического вида ароматы всегда ассоциировались с удовольствиями.

Даже в древнейших цивилизациях, таких как древнеегипетская, можно найти следы ароматических субстанций, при помощи которых люди делали себя приятнее и привлекательнее друг для друга и маскировали неприятные запахи (например, при подготовке трупов к погребению). Ароматические вещества использовали и для подношения богам. Само слово «парфюмерия» восходит к латинскому словосочетанию per fumum – «посредством дыма», а оно, в свою очередь, напрямую связано с воскурением ладана и ароматных трав в ходе религиозных ритуалов.

Обоняние не только добавляет «вкуса» и удовольствия нашей жизни, но и до самого недавнего времени помогало нам распознать подходящую пищу. Некоторые чрезвычайно отталкивающие запахи – например, смрад аминов и меркаптанов, обычно образующихся при распаде белков, – недвусмысленно заявляют, что в пище начался процесс разложения и есть ее небезопасно. Мы до сих пор инстинктивно нюхаем еду, которую готовимся съесть, чтобы понять, достаточно ли она свежая. Вдруг она слишком долго пролежала в холодильнике? Впрочем, в магазинах и ресторанах ее качество и безопасность обычно гарантирует цепочка тщательно контролируемых операций и точных тестов, что теоретически избавляет нас от необходимости производить назальный анализ самостоятельно.

В свою очередь, приятные запахи, появляющиеся в процессе готовки, давным-давно подали человечеству идею применять к еде ряд трансформационных процедур (таких как жарение, варка на пару, тушение и т. д.), благодаря которым она становится безопаснее и легче усваивается организмом. В частности, сильное нагревание уничтожает потенциально опасные микроорганизмы и устраняет различные факторы, препятствующие усвоению питательных веществ. Кроме того, готовка денатурирует белки и делает их более доступными для воздействия пищеварительных ферментов в желудочно-кишечном тракте. Эти ферменты (тоже относящиеся к числу белков) расщепляют белки съеденной пищи на составные элементы – аминокислоты, которые служат строительным материалом для новых белков, необходимых организму.

Белок можно представить себе как длинную цепочку связанных друг с другом аминокислот, которую скрутили в спираль – на первый взгляд, совершенно случайным образом.

Но в действительности структура спирали вовсе не случайна. Она определяется взаимодействиями между разными группами аминокислот и в конечном счете призвана обеспечить стабильность, компактность и уникальность. Нагревание разрушает эти связи, раскручивает спираль и открывает ранее скрытые участки разрушающему действию ферментов.

Можно себе представить любопытство и приятное удивление первых людей, очарованных ароматом жареного мяса, когда они обнаружили какую-нибудь газель или дикого кабана, застигнутого лесным пожаром! Вероятно, этот опыт подсказал им, что приготовленное мясо вкуснее и легче жуется, чем сырое, которым они питались прежде.

Некоторые ольфакторные ноты, особенно интенсивные и агрессивные, как вышеупомянутые амины, образующиеся при неправильном хранении пищевых продуктов, делают еду неприятной задолго до того, как она станет реально опасной для здоровья. Со временем люди открыли ряд способов замаскировать отталкивающий запах и улучшить органолептические свойства пищи. Амины – это основания, которые можно нейтрализовать с помощью кислот. В результате образуются соли, по природе своей нелетучие (вспомним обычную поваренную соль): они не могут добраться до носа и стимулировать обонятельную систему. Потому-то мы и подаем рыбу с лимоном, содержащим лимонную кислоту, а мясо готовим в вине, богатом винной кислотой, или маринуем в уксусе, основной компонент которого уксусная кислота. Добавление специй тоже маскирует неприятные запахи, неизбежно появлявшиеся у продуктов долгого хранения до того, как был изобретен холодильник.

Все эти способы работы с запахами ради повышения качества жизни были открыты в прошлом безо всякого понимания стоящих за ними химических процессов. Далеко не всегда такие интуитивные решения оказывались правильными, и некоторые традиционные представления о запахах сегодня выглядят наивными и суеверными. Так, еще в Средние века повсеместно считалось, что благовония обладают лечебными свойствами, и во время эпидемий чумы их повсеместно жгли не только для того, чтобы заглушить вонь разлагающихся трупов, но и в надежде остановить распространение болезни.

Только с утверждением химии как систематической дисциплины обоняние стало предметом научного изучения. Запахи переносятся молекулами, и, пока химия не научилась исследовать молекулы, пока у нее не появился адекватный задаче инструментарий, эта область чувственного опыта оставалась для нас таинственной и смутной. Только в начале XX века, на фоне бурного развития органической химии, ученые впервые обратили внимание на чарующие и загадочные свойства молекул, которые мы воспринимаем как запах.

С тех самых пор, как химики научились синтезировать новые молекулы, они инстинктивно нюхали плоды своих трудов. Даже сейчас эта привычка никуда не делась: так, повар, готовя блюдо, постоянно пробует и нюхает его, наблюдая, как вкус и запах с каждой минутой становятся сложнее, богаче. Ольфакторный анализ мы проводим в лаборатории первым делом. Даже когда химик посредством синтеза пытается воспроизвести аромат натурального вещества, именно обоняние в первую очередь помогает определить, в какой мере полученное в реакционной колбе вещество похоже на настоящий цветок или пряность.

Неудивительно, что химиков, работающих в области органики, прежде всего заинтересовали именно цветы, а первой задачей стало выделение и определение компонентов, ответственных за их приятный запах.

Стремление создавать ароматы в лаборатории, производить вещества с привлекательным запахом повлекло за собой настоящий промышленный бум. Если на первом этапе химики просто изучали запахи веществ, полученных экспериментальным путем, то следующим шагом стали уже целенаправленные проекты по воспроизведению конкретных запахов, существующих в природе.

У этой стратегии оказалось немало преимуществ, и прежде всего экономическое: синтезировать молекулы в лаборатории из недорогих нефтепродуктов обычно куда дешевле, чем экстрагировать и дистиллировать их из натуральных носителей. Только в очень немногих случаях эти компоненты до сих пор удобнее получать из эфирных масел растительного происхождения – а именно в тех, когда искомое вещество имеет слишком сложную структуру и с трудом поддается синтезу.

Еще один плюс этой стратегии – экологический. Спору нет, химическая промышленность сильно загрязняет окружающую среду, однако вредное воздействие мелких производств, занимающихся парфюмерией, пренебрежимо мало – и его можно дополнительно ограничить с помощью правильных процедур утилизации отходов. К тому же химическое изготовление ароматических веществ уже спасло от полного исчезновения не один вид растений и животных: хороший пример – сандаловое дерево.

Запах сандала высоко ценили еще в Древнем Египте и на Востоке, где произрастает это дерево. Ароматическое масло получают из ствола, и растение в результате погибает. Сандаловое дерево начинает испускать характерный запах только в возрасте 25–30 лет: нетрудно себе представить, как ограничен выход вещества и какой серьезный вред причиняют природе добытчики, когда валят очередное дерево.

Популяция животных тоже страдала. Некоторые представители животного царства, такие как кабарга, мускусная крыса и циветта, производят особый химический секрет, содержащий феромоны. Его ольфакторные свойства высоко ценятся в парфюмерии (это так называемые животные-мускусы), что стало причиной неограниченной охоты и уничтожения этих видов, оказавшихся в итоге на грани вымирания.

Парфюмерное творчество

К счастью, рост интереса к натуральным ароматическим веществам сопровождался и более активными исследованиями в области синтетической химии: ведь ее открытия можно было использовать в производстве парфюмерии. Целые поколения химиков синтезировали тысячи новых компонентов с единственной целью – изучить их запах. Ученые не просто хотели повторить природные молекулярные структуры в лабораторных условиях: компоненты некоторых натуральных ароматов слишком сложны, и воспроизводить их искусственным образом трудно да и дорого. Поэтому химики обратились к иной стратегии: тщательно изучить запах других молекул, в определенной степени сходных с искомыми натуральными соединениями, но более простых и дешевых в синтезе, а потому способных послужить заменой натуральным.

Правда, этот подход тоже не дал простых ответов – скорее, наоборот, заставил задаться основополагающими вопросами о том, как соотносятся между собой запах и молекулярная структура вещества. Так начались систематические исследования, в результате которых возникла целая новая отрасль – биохимия – и приподнялась завеса магии и тайны, окружавшая восприятие запахов. От расплывчатых и поэтичных метафор мы смогли наконец перейти к точным измерениям молекулярных параметров и заложили основательную базу знаний для создания новых ароматических веществ, обладающих подчас неожиданными и интересными свойствами. Парфюмерия как новая форма искусства получила новые выразительные средства и инструменты, значительно повысившие ее творческий потенциал.

Химия и гастрономия

Есть и еще одна область, в которой химия и искусство работают в тандеме и результаты их совместного труда украшают нашу жизнь. Эта область – гастрономия. На собственной кухне мы воочию наблюдаем сложнейшие химические реакции, дающие на выходе невероятно разнообразные летучие соединения, которые делают нашу пищу неповторимой и приятной на вкус. Эти реакции чрезвычайно чувствительны к колебаниям параметров: приходится точно регулировать температуру, влажность и время готовки, очередность добавки разных ингредиентов. Малейшее отклонение – и запах блюда изменится, так же как и вкус. С этой точки зрения кулинария тоже вполне достойна считаться формой искусства.

Только представьте себе, какого разнообразия вкусов можно добиться от мяса, картофеля, лука и прочих продуктов, готовя их при той или иной температуре и применяя технологии тушения, обжарки или запекания! Обратите внимание, как отличается вкус корочки на свежевыпеченной буханке от остального хлеба! А ведь все дело – в ряде летучих химических соединений, образующихся при так называемой реакции Майяра между крахмалом и белками.

Все это прекрасно применимо и к пищевой индустрии в целом, несмотря на высокую технологичность процесса. Простейшие примеры – ферментация сыра, созревание вина, изготовление фруктовых соков. Из одной и той же сырной массы, достаточно невыразительной по своим органолептическим свойствам, получаются самые разные сорта сыра. Все их разнообразные и подчас очень интенсивные вкусы – результат деятельности бактерий или грибков, которые расщепляют молекулы жиров и производят короткоцепочечные кислоты – масляную, валериановую, каприновую, – обладающие выраженным сырным запахом. Реакции, которыми сопровождается ферментация и созревание вина, тоже дают на выходе всевозможные химические соединения: сложные эфиры обеспечивают напитку фруктовые ноты, дубовые бочки добавляют фенолов. Органолептические свойства готового продукта (от которых в значительной степени зависит его цена) зависят от тонкого баланса всех этих компонентов.

При соблюдении базовых требований к безопасности и питательной ценности пищи или напитка наш дальнейший выбор среди бесконечного ассортимента определяется в основном гедонистическими соображениями. Проще говоря, мы покупаем то, что нам больше нравится. В угоду своему химическому восприятию мы охотно соглашаемся на большую разницу в цене даже между продуктами, обладающими примерно одинаковой питательной ценностью. Потребительские запросы, в свою очередь, побуждают специалистов разрабатывать точные технологии оценки органолептических свойств пищи и проводить исследования в области молекулярных механизмов, стоящие за чувством вкуса. Например, винодельческая промышленность в какой-то момент стала использовать избранные штаммы дрожжей для ферментации плесени, так как выяснилось, что многими химическими реакциями, производящими ароматические соединения, управляют ферменты, которые выделяются клетками дрожжей. Вот вам пример: фермент под названием гликозидаза при взаимодействии с сахаром, содержащимся в винограде, высвобождает вещества с цветочным запахом. Этой стратегией растения часто пользуются для растворения гидрофобных субстанций. В результате, выбирая богатый гликозидазой штамм дрожжей, производители получают вино с более сильными цветочными нотами в букете.

В последнее время концепция качества запахов нашла применение и в работе с окружающей средой. Воздух, которым мы дышим, не просто должен быть свободен от токсичных веществ: мы хотим находиться в комфортном пространстве, где не пахнет ничем неприятным. При встрече с гадкими запахами мы испытываем отвращение, потому что на протяжении эволюции они ассоциировались у нас с опасными для здоровья химическими веществами. Даже в современном мире, когда в большинстве случаев подобной прямой связи нет, скверные запахи все равно влияют на качество нашей жизни.

Запах и вкус

Говоря об органолептических свойствах пищи, мы часто пользуемся термином «вкус», хотя на самом деле это комплексное ощущение, включающее и обонятельные элементы. Когда пища попадает в рот, на языке мгновенно пробуждаются вкусовые рецепторы; они-то и посылают в мозг сигналы, которые было бы правильно называть ощущением вкуса. Однако в то же самое время и благодаря тому же самому пережевыванию высвобождается и множество летучих компонентов; через отверстие в нёбе они добираются до обонятельной слизистой, расположенной в верхней части носа, и вступают в контакт с ольфакторными рецепторами.

Именно благодаря этим летучим химическим соединениям мы и воспринимаем все богатство и разнообразие пищевых запахов. При помощи слов «вкус» и «аромат» мы описываем сложный чувственный опыт, возникающий при смаковании пищи. Помимо обонятельных и вкусовых составляющих в них присутствуют еще и тактильные (тающая мягкость шоколада, хрусткость чипсов, рассыпчатость печенья), температурные и прочие. Именно запахи, попадающие в нос через нёбо, в основном и отвечают за разнообразие и вариативность нашего восприятия еды.

Но, конечно же, существуют и вкусовые ощущения, так сказать, в чистом виде – их мы получаем через язык, и они тоже участвуют в создании обонятельного портрета блюда. На этом этапе нам, пожалуй, придется прояснить разницу между вкусом и запахом через призму молекул, вызывающих те и другие ощущения, и соответствующих сенсорных систем.

С чисто анатомической точки зрения человек и другие млекопитающие воспринимают вкус языком, а запах – носом. Иначе говоря, вкусовыми мы называем те ощущения, которые дает нам язык, а обонятельными – те, что возникают в носу. Но для многих других биологических видов такое разделение будет некорректным. Например, раздвоенный и подвижный язык рептилий постоянно берет пробы воздуха и доносит окружающие запахи до органов хеморецепции. Его регулярные движения эквивалентны ритмичному принюхиванию собаки, изучающей окружающее пространство и ориентирующейся по его ольфакторной карте.

Если перейти дальше, к насекомым, у них вообще не будет ни носов, ни языков. Зато у них есть крошечные сенсиллы – элементарные сенсоры, расположенные на антеннах, ротовых частях, ногах, а иногда даже на крыльях и прочих частях тела. Однако основным обонятельным органом и эквивалентом носа у них считаются все-таки антенны, рот и ноги в первую очередь отвечают за вкус. Так можем ли мы все-таки говорить о вкусе и обонянии у насекомых ввиду отсутствия носов и языков? Если говорить о химической природе стимулов, а не о конкретных органах восприятия, – безусловно, да.

Приняв это к сведению, будем называть одорантами химические вещества, переносимые воздухом к хемосенсиллам насекомых (и к носам человека и других наземных позвоночных). Вкус же определяется нелетучими и зачастую водорастворимыми компонентами, присутствующими в окружающей среде.

Таким образом, антенны насекомых, улавливающие молекулы газообразных веществ из окружающей среды, можно рассматривать как органы обоняния, а их ноги, реагирующие, например, на сахар и другие нелетучие вещества при физическом контакте (когда бабочка садится на цветок или комар – к нам на кожу), – как органы вкуса. Впрочем, строго говоря, это будет не столько вкус, сколько контактная хеморецепция.

Получается, что различие между обонянием и вкусом основывается скорее на природе химических стимуляторов, чем на анатомической структуре воспринимающих их органов. Такая формулировка выглядит и понятнее, и корректнее. Но если бы все было так просто! Природа всегда сложнее, чем наши схемы и определения, и всякий раз, как мы собираемся почить на лаврах, думая, что вот наконец-то сумели свести все ее явления в стройную таблицу, нам попадается какой-нибудь упрямый и совершенно не поддающийся классификации пример.

В случае с рыбами и другими водными животными все химические вещества переносятся водой, а, значит, вышеизложенные определения вкусов и запахов теряют смысл. Зато у рыб снова есть и нос, и язык, и это дает нам возможность ссылаться на анатомические органы, чтобы различать два этих способа химического восприятия.

Аносмия – невосприимчивость к запахам

Не так давно я уже говорил, что мы, люди, постепенно утрачиваем обоняние. Исследуя окружающую среду и делая выбор, мы полагаемся больше на зрительные образы, чем на запахи. Поэтому неспособность различать запахи, которая у других видов животных имела бы чрезвычайно важное значение, больше не представляет угрозы для нашей жизни и не мешает нам передавать эти ущербные гены потомству.

В результате у человеческого рода стремительно накапливаются дефекты обоняния. Невосприимчивость к одному или нескольким запахам сродни дальтонизму – неспособности видеть один из трех основных цветов. К индивидуумам, не чувствующим запахи, применяют термин «аносмия». Полная аносмия – когда человек вообще не слышит никаких запахов – все еще довольно редка: в исключительных случаях она носит врожденный характер, но чаще становится результатом какой-нибудь физической травмы или вирусной инфекции носовых пазух. А вот неразличение одного-двух определенных запахов – дело куда более обычное. Хотя систематических и полных исследований населения земного шара не проводилось, можно с уверенностью утверждать, что подобные дефекты совершенно нормальны, – скорее уж способность воспринимать все типы запахов стоит считать исключением.

Если избирательная аносмия – это нечто вроде ольфакторного дальтонизма, то можно предположить, что существует некоторое количество базовых запахов (по аналогии с тремя основными цветами), служащих алфавитом какого-то комплексного ольфакторного языка. Иными словами, всякое обонятельное ощущение – это сочетание нескольких базовых стимулов. Молекулярная биология сравнительно недавно поняла, как устроены ольфакторные рецепторы, и нанесла на карту маршруты, которыми обонятельные сообщения путешествуют из носа в мозг. Все это подтвердило догадку ученых, что наше обоняние работает на комбинаторном коде. Подробнее мы обсудим это открытие в седьмой, восьмой и девятой главах, а пока достаточно будет сказать, что оно заложило доказательную базу для моделей, предложенных в далеком прошлом на основе эмпирических наблюдений.

Однако важно понимать, что между ольфакторным и цветовым кодом существует фундаментальная разница. Она заключается в количестве базовых элементов: всего три основных цвета против 300 с лишним типов запахов. Такая оценка основывается на количестве генокодов в ольфакторных рецепторах – белках, которые вырабатываются в мембране ольфакторных нейронов и каждый из которых отвечает за свой, отдельный тип запаха. Немного позже мы поговорим об ольфакторных рецепторах и прочих белках обонятельной системы и рассмотрим, каким образом они взаимодействуют с летучими молекулами одорантов и посылают в мозг те или иные сигналы. Но пока что нас больше интересует феномен избирательной аносмии, его макроскопические эффекты и подход к его изучению, бытовавший в 60–70-х годах ХХ века, задолго до того, как восприятие запахов стали исследовать на молекулярном уровне.

Мы уже отметили, что избирательная аносмия – очень распространенное явление у нашего вида. Обычно мы даже не догадываемся об изъянах собственного обоняния, пока не проведем тщательное и целенаправленное исследование, позволяющее выявить и определить их. Дефекты подобного рода очень трудно засечь из-за огромного количества рецепторов и соответствующих им первичных запахов. Нарушение цветового зрения по одному из трех рецепторов дает глобальный и очень заметный эффект, но, когда сбой дают один или два из 300, мы этого попросту не ощущаем. Существует множество других рецепторов, схожих по характеристикам с недостающими, и они вполне могут уловить молекулы запахов, находящихся в слепой зоне, и послать в мозг некий сигнал, пусть даже не совсем точный. А вот пахнет ли конкретное вещество одинаково для «нормального» субъекта и субъекта с избирательной аносмией, – уже совсем другой вопрос.

На самом деле мы вправе утверждать, что пахнуть оно для них будет по-разному, но оценить эту разницу очень трудно. Если дать розу человеку с избирательной аносмией к аромату роз, он, безусловно, почувствует какой-то запах… – но запах этот может оказаться похож, скажем, на жасмин, и именно его такой человек будет ассоциировать с розой и с детства называть розовым запахом. Только точные целевые тесты смогут показать, что этот человек не различает реального аромата роз, и тогда мы сможем, например, дать ему понюхать по очереди розу и жасмин, попросить описать и запомнить разницу между ними и так оценить природу и масштабы его избирательной аносмии.

По поводу первого столкновения человека с избирательной аносмией есть одна забавная история. Неудивительно, что это случилось не где-нибудь, а в химической лаборатории.

Один молодой человек проводил эксперименты с изовалериановой кислотой – веществом с сильным и неприятным запахом. Он всем нам хорошо знаком: его производят бактерии, живущие у человека на коже – и в особенности на коже стоп. Обычно мы ассоциируем его с теми, кто не злоупотребляет личной гигиеной… однако в некоторых контекстах этот аромат может оказаться вполне приемлемым и даже приятным – к примеру, так пахнут некоторые виды деликатесных сыров. Соединение в обоих случаях одно и то же, и производят его одни и те же микроорганизмы.

Коллеги юного ученого стали жаловаться на скверный запах в лаборатории и обвинять его в том, что он не соблюдает технику безопасности – в частности, не работает в вытяжном шкафу. Бедняга чрезвычайно удивился, так как сам не чувствовал никаких отталкивающих запахов, и стал уверять сотрудников, что у вещества, с которым он работает, есть только слабый фруктовый аромат. Парень очевидным образом не воспринимал запах изовалериановой кислоты, зато смог засечь эфиры, присутствующие в коммерчески расфасованном веществе в качестве незначительных примесей и действительно обладающие фруктовым ароматом.