Таємниця запаху. Продовження.

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Механізм вираження запаху молекулами пахучих речовин можна вважати більш-менш загальновизнаним. Це – низькочастотні коливання, що лежать у далекій інфрачервоній області спектра. Так як із спроб встановити зв’язок між хімічною будовою речовини і її запахом нічого не вийшло, ці коливання повинні бути ефектом всієї молекули, а не окремих її груп. Групи, може бути, і вносять свій «внесок» у запах, але в межах загальної архітектури молекули.

Так само можна вважати досить ймовірним і запропонований механізм передачі нервового імпульсу від рецепторів до головного мозку. Клітини головного мозку з’єднані з нервовими закінченнями «кабелями» – нервовими волокнами. Волокна ці являють собою дуже довгі порожнисті трубки з діаметром від 83 стотисячні до 83 сотих міліметра. Вони несуть на своїй поверхні електричні заряди: на внутрішній – негативний, на зовнішній – позитивний. Сутність нервового збудження полягає в перезарядженні цього подвійного електричного шару. Під впливом збудження заряди на якусь мить міняють знаки, а потім повертаються у вихідне положення. Для того, щоб викликати перезарядку, потрібна певна величина сигналу. Але ось що цікаво: скільки б не намагалися перевищувати цю величину сигналу, імпульс буде один і той же. Іншими словами – імпульс виникає за законом «все або нічого ». Точно так, як гучність дзвінка в квартирі не збільшиться від того якщо сильніше натискати кнопку, важливо щоб ваше зусилля було достатнім для замикання контакту.

Але якщо уявити собі нервове волокно як простий телеграфний кабель, по якому молекули пахучих речовин посилають «телеграми» головному мозку, це не пояснило б особливої провідності волоко. Адже відомо, що наші нервові волокна – дуже неважливі провідники, в них сигнал, пройшовши п’ять міліметрів від «передавальної станції», повністю згасає. Тому насправді пристрій нервових волокон складніше. Це не просто кабель, це ціла система, що включає в себе ланцюг «релейних станцій». Ці станції, розташовані уздовж кабелю, посилюють загасаючий сигнал, передають його від однієї точки до іншої, там він, вже знесилений, посилюється наступною релейною станцією і так далі. Таким способом нервовий імпульс, що несе інформацію про запах, переривчасто, за допомогою спеціального електрохімічного релейного механізму, перетинає величезні для нього відстані за мільйонні частки секунди.

ШИФРОВАНІ ТЕЛЕГРАМИ

Але тепер постає інше, не менш важливе питання: яким же чином природа ухитряється зашифровувати властивості запаху – його силу і відтінок? Адже величина збудження не впливає на силу сигналу. Для відповіді на це питання вченим довелося витратити чимало зусиль на те, щоб розібратися в «телеграфному господарстві» людського організму.

Нервовий імпульс, завжди однаковий за величиною, можна представити як елемент шифрувального коду. Різні поєднання цих елементів дозволяють зашифрувати будь-яку найскладнішу телеграму. У нашому організмі від нюхових органів до головного мозку прокладено близько 45 тисяч каналів зв’язку – нервових волокон, по яких може йти передача інформації. І залежно від того, які канали підключаються до передачі і з чим вони з’єднуються на приймальних і передавальних станціях може змінюватися сенс переданої інформації. І навіть у межах одного кабелю – нервового волокна – цей сенс можна варіювати зміною проміжків між двома наступними один, за одним імпульсами.

Таким чином, інформаційні можливості нашої нюхової системи воістину колосальні. Досить сказати, що за допомогою цього шифру можна передати понад 16 мільйонів різних «повідомлень» про характер запаху. Цього більш ніж достатньо для того, щоб «описати» будь-який з існуючих у природі запахів.

Досліджуючи цей дуже цікавий механізм передачі нервового імпульсу, вчені встановили таку закономірність. Для того, щоб – порушити в нерві нормальний електричний сигнал, абсолютно не потрібно точно таке ж за величиною збудження, для цього достатньо і десяти відсотків виникаючого в нерві струму. Тобто причина порушення може бути значно слабкіше його слідства.

Це дуже важливий висновок. Адже одним з основних заперечень проти фізичної теорії було позірне очевидним положення, що порівняно невеликий квант енергії, відповідних коливань в далекій інфрачервоній області, не може викликати появи нервового імпульсу значно більшої енергії. А виявилося – очевидне не так вже й очевидне.

До того ж посилення збудження відбувається, і при самій «подачі телеграми».

МОЛЕКУЛИ «НЕРВУЮТЬ»…

Почнемо з однієї суттєвої деталі, хоча спочатку вона може здатися і не такою вже важливою. У нервових закінченнях присутній нюховий пігмент, пофарбований у досить темний жовто-коричневий колір. Склад його поки ще невідомий, але можна припустити, що в його молекулах, як і взагалі в пігментованих молекулах, є багато зв’язаних зв’язків або хромофорних груп. Значить, в молекулі присутні слабо пов’язані електрони. А їх вже неважко порушити порівняно невеликими квантами світла у видимій області. При поверненні із збудженого стану в звичайний електрони віддають отриману енергію, і це характеризує колір пігменту. Про ці досить відомі речі, може бути, і не варто було б докладно говорити, якби вони не давали ключа до розуміння тих дивовижних процесів, які відбуваються, як вважають автори цієї гіпотези, при порушенні нюхового нервового імпульсу.

Вчені вважають, що збудження електронів молекул пігменту може трапитися не тільки під дією кванта світла, але і при хімічній взаємодії. Той факт, що вони пофарбовані, говорить про те, що їх набагато легше порушити, ніж сусідні з ними незабарвлені молекули. А повернення із збудженого стану в звичайний може забезпечити той перерозподіл заряду, який необхідний для порушення нервового імпульсу.

Це стає зрозумілим, якщо припустити збуджений стан більш полярним, ніж основний. Тоді при переході дійсно буде відбуватися локальна деполяризація хромофорних груп. Так як цей розряд молекулярних диполів відбувається в дуже маленьких нюхових волосках, то ясно, що розряд всього навіть декількох молекул може викликати необхідний нервовий імпульс. Тепер залишилося найважливіше: показати, яким, чином наближення до нервового закінчення пахучої молекули, що коливається з певною частотою, може викликати таку дезактивацію.

СВІТЛОФОР ВІДКРИТО

В принципі повернення молекул зі збудженого стану в звичайний могла б легко відбуватися під дією випромінювання, якби … це було завжди дозволено. Але сама природа хімічного зв’язку, як сувора гувернантка, дозволяє це далеко не завжди. Якщо перехід з одного коливального рівня на інший «не дозволено», якщо хімічний світлофор показує червоне світло, електронам нічого не залишається, як чекати, поки загориться зелений. У цьому відношенні вони більш дисципліновані, ніж люди. Але що може вирішити цей перехід, хто включить зелене світло ? Виявляється, сама пахуча молекула.

З фізики добре відомо, що дві приблизно однакові коливальні частоти, складаючись, дають дві частоти: одну трохи вище, іншу трохи нижче вихідних. Аналогічне явище може відбуватися і при взаємодії коливальних молекул, вихідної речовини та молекули резонатора. Але тільки в тому випадку, якщо вони мають майже однакову частоту і досить близькі один до одного. У науці це явище відоме під назвою резонансу Фермі.

Так от, коливання пахучої молекули складаючись з коливаннями молекули рецепторного пігменту, посилюють їх, а це посилення частоти, цей резонанс здатний перемінити червоне світло на зелене, дозволити електронам перехід із збудженого стану в звичайний, тобто в кінцевому рахунку викликати нервовий імпульс.

Підіб’ємо підсумок. Молекула пахучої речовини, потрапляючи в ніс, вибирає собі рецептор, пігментовані молекули якого коливаються з близькою їй частотою. Резонуючи з однією з них, вона допомагає електронам повернутися із збудженого стану в звичайний і цим викликає перезарядку електричного шару, тобто в підсумку нервовий імпульс. Поєднанням різних сигналів, що надходять від різних рецепторів за різними каналами до головного мозку, передається, очевидно, та інформація, яка сприймається нами як абсолютно певна картина запаху. Так, згідно з новітніми гіпотезами вчених, працює наша своєрідна «радіотелеграфна система» нюху.

ГІПОТЕЗИ АБО ТЕОРІЇ

Ці гіпотези, підтверджені, правда, розрахунками та експериментами, призвели фізичну теорію запаху до недостатньої в ній ланці. Вони вкладаються в ті сучасні уявлення, якими володіють зараз хімія, фізика та біологія, і разом з тим досить добре перегукуються між собою, створюючи загалом досить струнку картину виникнення, передачі і відчуття різних запахів. Зокрема, однією з дуже цікавих і перспективних особливостей нової гіпотези нюхового збудження є та паралель, яку вона проводить між природою нюху і зору. Ці далекосяжні припущення відображають не тільки близьку фізичну сутність органів зору та нюху, але і їх можливу еволюцію з однієї і тієї ж звичайної чутливої поверхні. Очевидно, не випадково ще великий Ломоносов говорив про однакову природу зору і нюху.

Однак, незважаючи на переконливість запропонованого механізму, ці припущення поки ще не вийшли за рамки гіпотез . Існує ще чимало нез’ясованих або недостатньо вивчених моментів, які ще не дозволяють нам говорити про теорію запаху. Очевидно, будуть потрібні додаткові зусилля вчених, перш ніж гіпотези перетворяться в теорії. До того ж і між самими вченими ще не завжди і не в усьому існує повна згода.

Але все таємне рано чи пізно неминуче стає явним. Це повною мірою відноситься і до таємниці запаху, яка ось вже тисячоліття займає розуми людей. І якщо сьогодні ми ще не повністю розібралися в одному з п’яти наших почуттів, то вже недалекий той день, коли під потужним натиском сучасної науки впаде ще один бастіон невідомості, і таємниця запаху перестане існувати.

Автор: В. Азерніков.