Тайна запаха. Продолжение.

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

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 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. Аналогичное явление может происходить и при взаимодействии колеблющейся молекулы, исходного вещества и молекулы резонатора. Но только в том случае, если они имеют почти одинаковую частоту и достаточно близки друг к другу. В науке это явление известно под названием резонанса Ферми.

Так вот, колебания пахучей молекулы складываясь с колебаниями молекулы рецепторного пигмента, усиливают их, а это усиление частоты, этот резонанс способен переменить красный свет на зеленый, разрешить электронам переход из возбужденного состояния в обычный, то есть в конечном счете вызвать нервный импульс.

Подведем итог. Молекула пахучего вещества, попадая в нос, выбирает себе рецептор, пигментированные молекулы которого колеблются с близкой ей частотой. Резонируя с одной из них, она помогает электронам вернуться из возбужденного состояния в обычное и этим вызывает перезарядку электрического слоя, то есть в итоге нервный импульс. Сочетанием различных сигналов, поступающих от разных рецепторов по разным ‘каналам к головному мозгу, передается, очевидно, та информация, которая воспринимается нами как совершенно определенная картина запаха. Так, согласно новейшим гипотезам ученых, работает наша своеобразная «радиотелеграфная система» обоняния.

ГИПОТЕЗЫ ИЛИ ТЕОРИИ

Эти гипотезы, подтвержденные, правда, расчетами и экспериментами, привели физическую теорию запаха к недостающему ей звену. Они укладываются в те современные представления, которыми располагают сейчас химия, физика и биология, и вместе с тем достаточно хорошо перекликаются между собой, создавая в общем довольно стройную картину возникновения, передачи и ощущения различных запахов. В частности, одной из очень интересных и перспективных особенностей новой гипотезы обонятельного возбуждения является та параллель, которую она проводит между природой обоняния и зрения. Эти далеко идущие предположения отражают не только близкую физическую сущность органов зрения и обоняния, но и их возможную эволюцию из одной и той же обычной чувствительной поверхности. Очевидно, не случайно еще великий Ломоносов говорил об одинаковой природе зрения и обоняния.

Однако, несмотря на убедительность предложенного механизма, эти предположения пока еще не вышли за рамки гипотез. Существует еще немало невыясненных или недостаточно изученных моментов, которые еще не позволяют нам говорить о теории запаха. Очевидно, потребуются дополнительные усилия ученых, прежде чем гипотезы превратятся в теории. К тому же и между самими учеными еще не всегда и не во всем существует полное согласие.

Но все тайное рано или поздно неизбежно становится явным. Это в полной мере относится и к тайне запаха, которая вот уже тысячелетия занимает умы людей. И если сегодня мы еще не полностью разобрались в одном из пяти наших чувств, то уже недалек тот день, когда под мощным натиском современной науки падет еще один бастион неизвестности, и тайна запаха перестанет существовать.
Автор: В. Озерников.