Изменение вкусовых ощущений и обоняния причины. Запахи и ароматы: влияние на человека
Доктор технических наук В. МАЙОРОВ.
В последнее десятилетие ХХ века в науке о запахах произошла подлинная революция. Решающую роль сыграло открытие 1000 видов обонятельных рецепторов, связывающих молекулы пахучих веществ. Однако механизм передачи обонятельного сигнала в центральную нервную систему таит в себе еще много загадок.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Пути передачи информации о запахах в головной мозг.
Схематическое изображение обонятельного эпителия. Базальные клетки являются клетками-предшественниками обонятельных рецепторных нейронов.
Изображение реснички обонятельного нейрона, сделанное с помощью флуоресцентного красителя. На мембране ресничек расположены рецепторные белки, взаимодействующие с молекулами одорантов.
Модель молекулы обонятельного рецепторного белка мыши, к которому присоединена молекула одоранта - гексанола (пурпурного цвета).
Одна из моделей процесса преобразования сигнала внутри реснички обонятельного нейрона.
Схематическое изображение комбинаторных рецепторных кодов одорантов.
Электроольфактограмма (ЭОГ) - электрический колебательный сигнал, регистрируемый специальным электродом с участка внешней поверхности обонятельного эпителия крысы.
Чуть более четверти века назад в журнале "Наука и жизнь" (№ 1, 1978 г.) была опубликована статья "Загадка запаха". Ее автор, кандидат химических наук Г. Шульпин, справедливо отмечал, что современное ему состояние науки о запахах примерно такое же, как состояние органической химии в 1835 году. Тогда один из зачинателей этой науки, Ф. Велер, писал, что органическая химия представляется ему дремучим лесом, из которого невозможно выбраться. Но уже через четверть века А. М. Бутлеров, создав теорию химического строения вещества, сумел "выбраться из чащи". Шульпин выражал уверенность, что загадка запаха будет решена едва ли не быстрее, чем в случае органической химии.
И он оказался прав на все 100%! В последнее время произошел настоящий прорыв в понимании молекулярных основ обоняния. Разберем основные стадии восприятия запахов в свете современных представлений.
КАК ВОСПРИНИМАЕТСЯ ЗАПАХ
Проделаем простой опыт. Возьмем флакон с пахучей жидкостью, например духами, откроем пробку и понюхаем содержимое в спокойном ритме дыхания. Легко обнаружить, что мы ощущаем запах только во время вдоха; начинается выдох - запах исчезает.
При вдохе через нос воздух вместе с молекулами пахучего вещества (называемого обонятельным стимулом или одорантом) проходит в каждой из двух носовых полостей по щелевидному каналу сложной конфигурации, который образован продольной носовой перегородкой и тремя носовыми раковинами. Здесь воздух очищается от пыли, увлажняется и нагревается. Затем часть воздуха поступает в расположенную в верхней задней зоне канала обонятельную область, имеющую вид щели, покрытой обонятельным эпителием.
Общая поверхность, занимаемая эпителием в обеих половинках носа взрослого человека, невелика - 2 - 4 см 2 (у кролика эта величина равна 7-10 см 2 , у собак - 27 - 200 см 2). Эпителий покрыт слоем обонятельной слизи и содержит три типа первичных клеток: обонятельные рецепторы, опорные и базальные клетки. Влекомые воздухом пахучие молекулы проникают в носовую полость и переносятся над поверхностью эпителия. При нормальном спокойном дыхании вблизи обонятельного эпителия проходит 7 -10% вдыхаемого воздуха. Обонятельный эпителий имеет толщину приблизительно 150-300 мкм. Он покрыт слоем слизи (10-50 мкм), который молекулам одоранта предстоит преодолеть, прежде чем они провзаимодействуют со специальными сенсорными нейронами - обонятельными рецепторами.
Основная функция обонятельного рецептора состоит в выделении, кодировании и передаче информации об интенсивности, качестве и продолжительности запаха в обонятельную луковицу и специальным центрам в головном мозге. Эпителий в обеих носовых полостях у человека содержит приблизительно 10 млн обонятельных нейронов (у кролика - около 100 млн, а у немецкой овчарки - до 225 млн).
Как известно, нейрон состоит из тела и отростков: аксонов и дендритов. Нервный импульс с одной нервной клетки на другую передается с аксона на дендрит. Диаметр утолщенной центральной части обонятельного нейрона (сомы) 5-10 мкм. Дендритная часть в виде волокнистых отростков диаметром 1-2 мкм выходит к внешней поверхности эпителия. Здесь дендриты заканчиваются утолщением, от которого отходит пучок из 6-12 ресничек (цилий) диаметром 0,2-0,3 мкм и длиной до 200 мкм, погруженный внутрь слоя слизи (у кролика число ресничек в одном рецепторном нейроне составляет 30-60, а у собак достигает 100-150). Отходящее от сомы нервное волокно (аксон) имеет диаметр около 0,2 мкм и выходит к внутренней поверхности эпителия. Здесь аксоны от соседних нейронов объединяются в жгуты (филы), доходящие до обонятельной луковицы.
СЕМИОТИКА ОБОНЯНИЯ
Для того чтобы обонятельный сигнал был воспринят нейроном, молекула одоранта связывается со специальной белковой структурой, расположен ной в нейрональной клеточной мембране. Такая структура называется рецепторным белком. Используя методы молекулярной биологии, американские ученые Линда Бак и Ричард Аксель в 1991 году установили, что обонятельные нейроны у млекопитающих содержат около 1000 различных видов рецепторных белков (у человека их меньше - около 350). Признанием важности этого открытия стало присуждение им в 2004 году Нобелевской премии за исследования в области физиологии и медицины (см. "Наука и жизнь" № 12, 2004 г).
Каким образом рецепторы распределяются по нейронам: имеются ли отдельные представители этого семейства во всех обонятельных нейронах или каждый нейрон несет на своей мембране только один вид рецепторного белка? Как может мозг определить, какой из 1000 типов рецепторов подал сигнал? Имеющиеся данные позволяют сделать заключение о том, что на одном нейроне присутствует только обонятельный рецепторный белок одного вида. Нейроны с разными рецепторами обладают различной функциональностью, то есть в эпителии имеются тысячи различных типов нейронов. В этом случае проблема идентификации активированного запахом отдельного рецептора сводится к задаче выявления подавшего сигнал нейрона.
Принимая во внимание, что общее число обонятельных нейронов у человека около 10 млн, число обонятельных рецепторов одного типа исчисляется в среднем десятками тысяч.
Обонятельная система использует комбинаторную схему для идентификации одорантов и кодирования сигнала. Согласно ей один тип обонятельных рецепторов активируется множеством одорантов и один одорант активирует множество типов рецепторов. Различные одоранты кодируются различными комбинациями обонятельных рецепторов, причем увеличение концентрации стимула приводит к возрастанию числа активируемых рецепторов и к усложнению его рецепторного кода. В этой схеме каждый рецептор выступает в качестве одного из компонентов комбинаторного рецепторного кода для многих одорантов и как бы выполняет роль буквы своеобразного алфавита, из совокупности которых составляются соответствующие слова-запахи.
Минимальные структурные отличия молекул одорантов, например, по функциональной группе, по длине углеродной цепи, по пространственной структуре приводят к различному рецепторному коду. Для отличительного признака молекулы одоранта, способного изменить кодировку запаха, был предложен термин "одотоп" (odotope ), или детерминант запаха. Различные обонятельные рецепторы, которые распознают один и тот же одорант, могут идентифицировать различные его признаки-одотопы. Одиночный обонятельный рецептор способен "различать" молекулы, отличающиеся длиной углеродной цепочки всего лишь на один атом углерода, или молекулы, имеющие одинаковую длину углеродной цепочки, но отличающиеся функциональной группой. Учитывая, что в эпителии млекопитающих имеется приблизительно 1000 видов обонятельных рецепторов, можно полагать, что такая комбинаторная схема позволяет различить громадное число одорантов (даже человек различает до 10 000 запахов).
Полученные в последнее время результаты экспериментальных исследований свойств обонятельных рецепторных белков позволили создать на молекулярном уровне структурную модель спиральной молекулы обонятельного белка. Обонятельные рецепторные белки принадлежат к суперсемейству мембранносвязанных рецепторов. Они пересекают двухслойную липидную мембрану реснички семь раз. У содержащей 300-350 аминокислот молекулы рецепторного белка три наружные петли соединяются с тремя внутриклеточными петлями семью пересекающими мембрану трансмембранными участками.
НЕОБХОДИМАЯ СЛИЗЬ
Находящиеся в потоке воздуха молекулы одоранта, перед тем как достичь обонятельных рецепторных нейронов, должны пересечь обволакива ющий поверхность обонятельного эпителия слой слизи. Физиологические функции слоя слизи полностью до сих пор не выяснены. Не вызывает сомнения, что она создает гидрофильную оболочку для чувствительных и хрупких обонятельных рецепторов, выполняя защитную функцию. Ведь систему восприятия сигнала нужно защитить от воздействия внешней среды, то есть от молекул одорантов, среди которых могут быть достаточно опасные и химически активные вещества.
Слой слизи состоит из двух подслоев. Внешний, водный, имеет толщину примерно 5 мкм, а внутренний, более вязкий, - около 30 мкм. Реснички-цилии направлены наклонно к внешней поверхности слоя слизи. Они образуют своего рода сетку с нерегулярными ячейками, причем эта сетка размещена у поверхности раздела подслоев так, что основная часть поверхности ресничек (около 85%) оказывается расположен ной вблизи границы раздела.
Слой слизи содержит разнообразные растворимые в воде белки, значительную часть которых составляют так называемые гликопротеины. Благодаря разветвленной молекулярной структуре эти белки способны связывать и удерживать молекулы воды, образуя гель.
Другие виды белков, содержащихся в слизи, взаимодействуют с молекулами одорантов и тем самым могут оказывать влияние на восприятие и распознавание запахов. Эти белки подразделяются на два основных класса - одорант-связующие белки (OBP) и одорант-разрушающие ферменты.
ОВР относятся к семейству белков, имеющих складчатую бочкообразную структуру с внутренней глубокой полостью, в которую попадают маленькие молекулы гидрофильных (жирорастворимых) одорантов. Разные подвиды этих белков отличаются высокой избирательностью взаимодействия с одорантами различных химических классов.
Полагают, что OBP способствуют растворению одоранта и транспортируют его молекулы сквозь слой слизи, действуют как фильтр для разделения одорантов, могут облегчать связывание одоранта с рецепторным белком и даже очищать околорецепторное пространство от ненужных компонентов.
Кроме одорант-связующих белков в слизи обонятельного эпителия вблизи рецепторных нейронов обнаружены несколько видов одорант-разрушающих ферментов. Все эти ферменты запускают реакции превращения молекул одорантов в другие соединения. Образующиеся в результате этих реакций продукты также вносят свой вклад в восприятие запаха. В конечном итоге все поступающие в слой слизи молекулы одорантов быстро, практически одновременно с завершением вдоха, теряют свою "запаховую" активность. Так что обонятельная система при каждом вдохе получает новую информацию от свежих порций одоранта.
ОБОНЯНИЕ НА УРОВНЕ МОЛЕКУЛ
Многие свойства системы восприятия запахов можно объяснить на молекулярном уровне. Молекула одоранта встречает на поверхности слизи, покрывающей обонятельный эпителий, молекулу одорант-связующего белка, которая связывает и переносит молекулу одоранта через слой слизи к поверхности реснички обонятельного нейрона. В ресничках осуществляется основной процесс передачи обонятельного сигнала. Его механизм достаточно типичен для многих видов взаимодействий физиологически активных веществ с рецепторами нервных клеток.
Молекула одоранта прикрепляется к определенному обонятельному рецептору (R). Между процессом связывания молекулы одоранта с рецептором и передачей обонятельного сигнала в нервную систему лежит сложный каскад биохимических реакций, проходящих в нейроне. Связывание молекулы одоранта с рецепторным белком активирует так называемый G-белок, расположенный на внутренней стороне клеточной мембраны. G-белок в свою очередь активирует аденилатциклазу (AC) - фермент, преобразующий внутриклеточный аденозинтрифосфат (ATP) в циклический аденозинмонофосфат (cAMP). А уже cAMP активирует другой мембранносвязанный белок, который называется ионным каналом, поскольку открывает и закрывает вход заряженным частицам внутрь клетки. Когда ионный канал открыт, в клетку проникают катионы металлов. Таким способом меняется электрический потенциал клеточной мембраны и генерируется электрический импульс, передающий сигнал с одного нейрона на другой.
Несколько молекулярных стадий передачи внутриклеточного сигнала обеспечивают его усиление, в результате чего небольшого числа молекул одоранта становится достаточно для генерирования нейроном электрического импульса. Такие усилительные каскады обеспечивают большую чувствительность системы восприятия запахов.
Итак, активация рецепторного белка молекулой одоранта в конечном счете приводит к генерированию электрического тока в обонятельном рецепторном нейроне. Ток распространяется по дендриту нейрона в его соматическую часть, где возбуждает выходной электрический импульс. Этот импульс передается по нейрональному аксону в обонятельную луковицу.
Одиночный электрический сигнал-импульс на выходе имеет длительность не более 5 мс и пиковую амплитуду около 100 мкВ. Почти все нейроны генерируют импульсы и при отсутствии воздействия одоранта, то есть обладают спонтанной активностью, называемой биологическим шумом. Частота этих импульсов меняется в диапазоне от 0,07 до 1,8 импульса в секунду.
ЛУКОВИЧНАЯ НЕЙРОСЕТЬ
Обонятельные рецепторные нейроны распознают громадное число разнообразных молекул пахучих веществ и посылают информацию о них через аксоны в обонятельную луковицу, служащую первым центром обработки обонятельной информации в головном мозге. Парные обонятельные луковицы представляют собой продолговатые образования "на ножках". Отсюда начинается путь обонятельного сигнала к полушариям мозга. Аксоны обонятельных нейронов оканчиваются в обонятельной луковице разветвлениями в сферических концентраторах (диаметром 100-200 мкм), называемых гломерулами. В гломерулах осуществляется контакт между окончаниями аксонов обонятельных нейронов и дендритами нейронов второго порядка, которыми являются митральные и пучковые клетки.
Митральные клетки - самые крупные нервные клетки, выходящие из обонятельной луковицы. Пучковые клетки меньше митральных, но функционально с ними схожи. Представление о количестве нервных клеток у млекопитающих могут дать характеристики обонятельной системы кролика. В ней имеется по 50 миллионов обонятельных рецепторных нейронов справа и слева (ровно в десять раз больше, чем у человека). Аксоны обонятельных рецепторов распределены между 1900 гломерулами обонятельной луковицы - примерно по 26 000 аксонов на гломерулу. Дендритные окончания 45 000 митральных и 130 000 пучковых клеток получают сигналы от аксонов в гломерулах и передают их из обонятельной луковицы в центры обоняния в головном мозге. Около 24 митральных и 70 пучковых клеток получают информацию от аксонов в каждой гломеруле. У человека около 10 млн аксонов обонятельных нейронов распределяются по 2000 гломерул обонятельной луковицы.
Все аксоны одной популяции обонятельных нейронов сходятся на две гломерулы, зеркально расположенные по разные стороны двумерного поверхностного слоя обонятельной луковицы. В зависимости от содержания передаваемого сигнала гломерулы активируются различным образом. Совокупность активированных гломерул называется картой запаха и представляет своего рода "слепок" запаха, то есть она показывает, из каких пахучих веществ состоит воспринимаемый обонятельный объект.
Механизм активации гломерул до сих пор не выяснен. Усилия исследователей направлены на то, чтобы выяснить, каким образом многообразие одорантов воспроизводится в двумерном слое гломерул на поверхности обонятельной луковицы. Кстати, эти отображения имеют динамический характер - они постоянно меняются в ходе восприятия запаха, усложняя научную задачу.
Обонятельная луковица - это большая многослойная нейросеть для пространственно-временнoй обработки отображения запаха в гломерулах. Ее можно рассматривать как совокупность множества микросхем с большим количеством связей, со взаимной активацией и ингибированием активности нейронов. Выполняемые нейронами операции выделяют характерные свойства карты запаха.
От обонятельной луковицы аксоны митральных и пучковых клеток передают информацию в первичные обонятельные участки коры головного мозга, а затем в высшие ее участки, где формируется осознанное ощущение запаха, и в лимбическую систему, которая порождает эмоциональную и мотивационную реакцию на обонятельный сигнал.
Свойства обонятельных зон коры головного мозга позволяют формировать ассоциативную память, которая устанавливает связь нового аромата с отпечатками воспринятых ранее обонятельных стимулов. Полагают, что процесс идентификации одоранта включает сравнение получающегося отображения с его описанием в семантической памяти. В случае совпадения отпечатка и памяти о запахе происходит какой-либо ответ (эмоциональный, двигательный) организма. Процесс этот осуществляется очень быстро, в течение секунды, и информация о совпадении после ответа сразу сбрасывается, поскольку мозг готовит себя к решению следующей задачи восприятия запаха.
ЗАГАДКИ ЗАПАХОВ
То, о чем говорилось в предыдущих разделах, относится пусть к самому сложному, основополагающему, но начальному разделу науки о запахах - к их восприятию. Не раскрыт механизм взаимодействия обоняния с другими системами восприятия, например со вкусом (см. "Наука и жизнь" № , с. 16-20). Ведь известно, что если человеку зажать ноздри, то при дегустации даже хорошо известных вкусовых пищевых продуктов (например - кофе) он не в состоянии точно определить, что он пробовал. Достаточно разжать ноздри - и вкусовые ощущения восстанавливаются.
С молекулярной точки зрения пока непонятно, в каких единицах измерять интенсивность запаха и от чего она зависит, что такое качество запаха, его "букет", чем отличается один запах от другого и как охарактеризовать это отличие, что происходит с запахом при смешивании различных одорантов. Оказывается, что независимо от вида одорантов и уровня подготовленности даже опытный эксперт не может определить все составляющие смесь компоненты, если их больше трех. Если же смесь содержит более десяти одорантов, то человек не в состоянии идентифицировать ни одного из них.
Остается еще множество вопросов, касающихся механизмов и видов воздействия запахов на эмоциональное, психическое и физическое состояния человека. В последнее время на эту тему появилось немало спекуляций, чему поспособствовал вышедший в 1985 году роман П. Зюскинда "Парфюмер", более восьми лет прочно занимавший место в первой десятке бестселлеров на западном книжном рынке. Фантазии на тему чрезвычайной силы подсознательного воздействия ароматов на эмоциональное состояние человека обеспечили этому произведению огромный успех.
Однако художественный вымысел постепенно получает обоснование. Недавно в периодической печати появились сообщения о том, что американские военные "парфюмеры" разработали на редкость дурно пахнущую бомбу, способную не только вызвать отвращение, но и разогнать солдат противника или агрессивно настроенную толпу.
Общественные аллюзии на парфюмерные темы подстегнули всеобщий интерес к искусству ароматерапии. Расширилось использование ароматов в общественных местах, таких, как офисы, торговые залы, холлы гостиниц. Появились даже специальным образом ароматизированные товары, улучшающие настроение. Возникла такая отрасль рыночной экономики, как аромамаркетинг - "наука" о привлечении клиентов с помощью приятных запахов. Так, запах кожи навевает покупателю мысли о дорогом качественном товаре, аромат кофе побуждает к покупкам для домашнего ужина и т.д. Каким образом запахи формируют в головном мозге сигналы, побуждающие человека совершать покупки? Ученым предстоит совершить еще немало открытий, прежде чем ответить на этот и многие другие вопросы и отделить мифы о запахах от реальности.
Литература
Лозовская Е., канд. физ.-мат. наук. // Наука и жизнь, 2004, № 12.
Майоров В. А. Запахи: их восприятие, воздействие, устранение. - М.: Мир, 2006.
Марголина А., канд. биол. наук. // Наука и жизнь, 2005, № 7.
Шульпин Г., канд. хим. наук. Загадка запаха // Наука и жизнь, 1978, № 1.
С. САМСОНОВ, кандидат биологических наук.
В познании фоторецепции – работы органов зрения за последнюю четверть века достигнуты существенные успехи. Механизмы обоняния, восприятия запахов изучены значительно меньше, хотя интерес к ним продолжает возрастать. Перспективные результаты, имеющие не только научную, но и практическую ценность, получены в лаборатории рецепции Института биологической физики АН СССР, которой руководит профессор Е.Е. Фесенко.
Орган обоняния поистине уникален. Он способен быстро распознавать огромное число самых различных веществ, хотя бы их было ничтожно мало – всего несколько сотен молекул в кубическом сантиметре окружающего нас пространства. Природный анализатор запахов неизмеримо превосходит соответствующие приборы, созданные людьми. Как писал академик П.Л. Капица, «физика располагает приборами во много раз чувствительнее наших органов чувств. Только... обоняние... у животных более совершенно...». И считал одной из важнейших проблем физики будущего – «догнать обоняние собаки».
Очевидно, чувство обоняния появилось у представителей животного царства раньше остальных. В глубинах теплых древнейших морей оно расширило возможности поисков пищи, особей другого пола и, конечно, помогало избежать опасности.
С тех пор миновала длинная череда миллионолетий, но свое непреходящее значение обоняние сохранило и сейчас. Конечно, люди в смысле восприятия запахов многое потеряли по сравнению со своими далекими предками и в ряду живых существ занимают в этом отношении скромное место. И все же современный человек способен уловить разницу между доброй сотней тысяч различных соединений и множеством их комбинаций. Можно сказать, что это даже слишком много, поскольку человеческий язык не в состоянии дать каждому из запахов достаточно полную качественную характеристику. Слишком беден словарный запас.
Исследователи постоянно стремятся найти у пахучих соединений общие черты, обусловливающие их восприятие. Например, имеет значение молекулярная масса вещества: она должна находиться в диапазоне 17...300 дальтон – только тогда они для нас пахнут. И тем сильнее, чем больше и сложнее молекула, но тоже до определенных пределов, поскольку при усложнении уменьшается летучесть вещества, а это свойство определяет распространение запаха.
Делались попытки найти зависимость между особенностями восприятия различных веществ и формой их молекулы. Американский ученый Дж. Эймур, анализируя несколько сотен органических соединений, пришел к выводу, что их можно сгруппировать вокруг семи основных запахов: камфорного, мускусного, мятного, эфирного, цветочного, острого, гнилостного. Каждая группа имеет внутреннее сходство в молекулярном строении, а на мембранах рецепторных клеток должны находиться стереоспецифические активные центры семи типов. Так появилась на свет стереохимическая теория, ставшая существенным шагом вперед на пути классификации запахов, хотя она и носила в значительной степени умозрительный характер. Последующие исследования показали, что дело обстоит сложнее, чем предполагал Дж. Эймур, и воздействие на клетки, воспринимающие запах (обонятельные рецепторы), определяется не только формой, но и другими параметрами молекулы.
Результаты многих исследований также окончательно подтвердили, что обонятельный анализатор животных способен обнаруживать чрезвычайно низкие концентрации пахучих веществ. Особенно он чувствителен у насекомых, улавливающих издалека присутствие полового феромона, даже если в кубическом сантиметре воздуха его не более 100 молекул. Но все-таки многие свойства рецепторной клетки продолжали оставаться неясными.
Одним из центральных вопросов, вставших перед исследователями, была необходимость найти тот элемент клетки, с помощью которого она воспринимает запахи.
Предварительно стоит коротко рассказать об общей организации обонятельной системы у позвоночных. Рецепторные клетки обонятельного эпителия играют роль первичного механизма, улавливающего запахи извне. Они, по существу, являются нервными клетками, и от каждой из них отходит очень тонкий (диаметром около 0,2 микрометра) отросток – аксон, который оканчивается на поверхности одного из периферических отделов головного мозга – обонятельной луковицы. Здесь происходит первичная обработка полученной пахучей информации. Далее она передается по нервным волокнам обонятельного тракта в соответствующие участки головного мозга.
Обычно обонятельные клетки имеют веретенообразную форму и наделены периферическим и центральным отростками. Первый заканчивается обонятельной булавой, усаженной тончайшими волосками (антеннами), имеющими довольно сложное строение. Антенны содержат набор трубчатых фибрилл, напоминая в этом отношении жгутики или реснички, широко распространенные в мире простейших. Они находятся в постоянном движении, напоминая при разглядывании в микроскоп колосящуюся ниву.
Центральный отросток – аксон представляет собой не что иное, как ответвление обонятельного нерва. Аксоны разных клеток объединены в группы по 20...100 волокон и в составе обонятельного нерва идут к уже упомянутой обонятельной луковице.
Анализаторы различных животных могут существенно отличаться друг от друга. Разница заключается не только в плотности размещения рецепторных клеток, но и в их общем количестве. Для примера сравним собаку и человека. Разница в восприятии запахов у них громадна, хотя на квадратный сантиметр обонятельного эпителия приходится примерно одинаковое число рецепторных клеток. Зато их общее количество у собаки в 20...25 раз больше, чем у человека, и составляет около 200 миллионов. Поскольку каждая рецепторная клетка имеет свой аксон, обонятельный нерв собаки представляет собой «кабель», содержащий 200 миллионов «жил»!
Строение участка эпителия – приемника запахов
Кроме обонятельных, в составе эпителия имеются опорные клетки. Они образуют каркас эпителия, поддерживающий его структуру. Это, однако, не единственная их функция. Ряд исследователей полагают, что они не только поддерживают рецепторные клетки, но и помогают им в обмене веществ.
Есть еще третий тип клеток – базальные, находящиеся в глубине эпителия. Они образуют клеточный резерв, из которого при необходимости формируются рецепторные и опорные клетки. Поверхность эпителия, выстилающего обонятельную полость, покрыта слизью, что характерно для всех позвоночных. Слизь защищает эпителий от высыхания у наземных животных и от излишнего смачивания – у водных. Кроме того, она является источником ионов, необходимых для генерации электрического ответа клетки (то есть сигнала в мозг о появлении запаха), и участвует, возможно, в удалении остатков пахучих веществ с поверхности обонятельного эпителия по окончании их действия. В сущности, она является средой, где возникает и заканчивается взаимодействие пахучих веществ с обонятельными клетками.
Теперь вернемся к исследованию природы рецепторного элемента. Основой для постановки экспериментов послужила давно известная способность белков обеспечивать высокую специфичность и избирательность биологических реакций, в которые они вовлечены. Образно говоря, к каждому белку можно подобрать определенный «ключ», он будет единственным, и по нему можно узнавать, с каким «замком» имеешь дело. Ученые предполагали, что и обонятельные клетки не обходятся без белковых структур, взаимодействующих с пахучими веществами, но это надо было проверить.
Чтобы найти эти структуры, ученые решили ввести в клетку радиоактивное пахучее вещество, а затем, разделяя клеточные компоненты и измеряя радиоактивность каждого из них, найти тот, что взаимодействует с пахучей радиоактивной меткой. Это и будет кандидат в рецепторы пахучих веществ.
Для этих экспериментов необходимо было пахучее вещество с высокой удельной радиоактивностью. Выбор пал на камфору, которая часто используется в электрофизиологических экспериментах и обладает одним из 7 основных запахов по классификации Дж. Эймура. Здесь на помощь биологам пришли радиохимики из Института молекулярной генетики АН СССР, которые специально для этих опытов синтезировали радиоактивную камфору с нужными свойствами.
Опыты ставились следующим образом. На первом этапе с помощью соскоба получали препараты обонятельного эпителия лягушки и крысы с частичками мембран рецепторных клеток. В препарат вводили радиоактивную камфору и затем выделяли фракцию, содержащую радиоактивную метку. Для контроля то же самое проделывали с препаратами, приготовленными из других органов животного.
Как и следовало ожидать, компонент, способный эффективно связывать камфору при очень низких концентрациях последней, был обнаружен только в препарате обонятельного эпителия. В тканях языка, легких, печени его не оказалось. Удалось определить и молекулярную массу рецептора, составившую около 140 000 дальтон. В специальных экспериментах была установлена белковая природа рецептора. Исследователи показали, что молекула рецептора состоит из 2-х субъединиц с молекулярной массой 88 000 и 55 000 дальтон, причем центр связывания камфоры находится на большой субъединице. Как и предполагали, рецептор пахучих веществ оказался мембранным белком, практически не растворимым в воде.
Но полученные результаты не удовлетворили исследователей. Дело в том, что сама по себе способность связывать пахучее вещество еще не доказательство рецепторной природы того или иного компонента клетки. Она может оказаться случайной или играющей иную роль, не связанную с узнаванием пахучего вещества. В принципе в обонятельном эпителии могут быть несколько компонентов, способных связывать пахучие вещества, и только один из них может оказаться рецептором. Необходимо было еще раз проверить, но уже иными методами, что обнаруженные белки действительно служат рецепторами запахов.
Здесь исследователи пошли иммунохимическим путем. Если взять проверяемые белки, скажем, у крысы и ввести кролику, то там они сыграют роль «чужака»-антигена и, стало быть, вызовут образование антител к этим белкам. Если затем ввести антитела в препарат обонятельной ткани, то они, найдя там «свои» белки (кандидаты в рецепторы), помешают им связаться с радиоактивной камфорой. В этом случае электрического сигнала о получении запаха не будет. А если будет, то, значит, этот белок не рецептор.
Выполнив чрезвычайно трудоемкую операцию по извлечению нужных белков из крыс, исследователи иммунизировали ими кролика и получили в конечном итоге антитела к рецептору. Затем в специальных экспериментах было показано, что антитела эффективно блокируют связывание камфоры с рецептором. Остался последний, решающий шаг – показать, что антитела блокируют также электрический ответ клетки на пахучие вещества. Электрофизиологический эксперимент показал, что это действительно так. Сомнений в том, что выделенный белок относится к классу рецепторных, практически не осталось.
Иммунохимический подход позволил исследователям попутно решить еще две важные задачи. Во-первых, было определено место расположения рецепторов запаха в обонятельном эпителии. Как и предполагали, они локализованы в его поверхностном слое. Во-вторых, с помощью антител удалось резко упростить и ускорить процедуру выделения рецептора. Вместо прежних многосуточных процедур рецептор теперь можно выделить в течение 2...3 часов: для этого достаточно один раз пропустить препарат обонятельного эпителия через колонку с антителами. При этом через колонку проходят все компоненты препарата, кроме рецептора, который задерживает антитела. После удаления всех остальных компонентов рецептор вымывается из колонки специальным раствором, в котором ослабляется взаимодействие антитела и рецептора.
Сравнив свойства камфорных рецепторов из обонятельной ткани лягушки и крысы, исследователи обнаружили, что они очень похожи по своим свойствам. А как обстоит дело с рецепторами на другие пахучие вещества? Быть может, все они очень похожи друг на друга и составляют семейство обонятельных рецепторных белков, подобно зрительным пигментам различных животных? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо было синтезировать хотя бы несколько радиоактивных пахучих веществ, относящихся к разным классам запахов. К сожалению, синтез каждой такой метки представляет сложную и очень трудоемкую задачу, поэтому исследователи были вынуждены пойти по другому пути. Они сменили объект и стали использовать в опытах препараты обонятельного эпителия рыб, для которых химическими стимулами служат аминокислоты, а их радиоактивные аналоги легкодоступны.
Надо сказать, что рыбы обладают хорошо развитой обонятельной системой и способны реагировать на весьма низкие концентрации пахучих веществ. Некоторые аминокислоты и их смеси имеют сигнальное значение для рыб. Так, угорь находит моллюска, которого использует в пищу, по выделенному им в воду комплексу из 7 аминокислот. С давних пор известно, что лососи стараются обойти то место в реке, где медведь ловит рыбу. Было выяснено, что сигнал тревоги имеет химическую природу и вымывается из кожи медведя. Его назвали «фактором звериной шкуры». Оказалось, что главным компонентом этого фактора является аминокислота L-серин. Ее добавление в речную воду само по себе вызывает реакцию тревоги у лососей. В последнее время удалось экспериментально доказать возможность привлечения с помощью химических сигналов некоторых морских рыб.
Все это делает рыб весьма привлекательным объектом с точки зрения изучения механизмов восприятия запахов. В опытах сотрудников лаборатории, которые были проведены на базе Карадагской биостанции, использовались черноморские скаты-хвостоколы, обладающие хорошо развитым и легкодоступным обонятельным анализатором. В качестве стимулов применялись уже упомянутые L-серин и другие аминокислоты. Во всех случаях были обнаружены мембранные белки, способные эффективно связывать аминокислоты. Их характеристики, в частности молекулярный вес и субъединичное строение, оказались практически такими же, как у камфорного рецептора лягушки и крысы. Сегодня у исследователей нет сомнений, что они имеют дело с новым семейством рецепторных белков, уникальными свойствами которых в значительной степени объясняются рекордные чувствительность и избирательность обонятельного анализатора.
Последующие эксперименты показали, что, кроме белкового рецептора, в обонятельном эпителии животных присутствует другой высокомолекулярный компонент, также способный связывать пахучие вещества. В отличие от мембранного белка он растворяется в воде, и, по крайней мере, часть его находится в слизи, покрывающей обонятельный эпителий. Установлено, что он имеет нуклеопротеидную природу, его молекулярная масса составляет около 150 000 дальтон. Его концентрация в эпителии в несколько тысяч раз выше, чем мембранного рецептора, а специфичность по отношению к пахучим веществам значительно меньше. Принимает ли нуклеопротеид участие в восприятии пахучих веществ? Если да, то какова его роль в этом процессе? Исследователи полагают, что он входит в состав неспецифической системы, обеспечивающей очистку обонятельного эпителия от различных пахучих веществ по окончании их действия, что необходимо для приема других запахов. Иными словами, предполагается, что нуклеопротеид, попадая в слизь, способен усиливать ток слизи и тем увеличивать эффективность очистки обонятельного эпителия. Не исключено также, что нуклеопротеид, находясь в слизи, способствует растворению пахучих веществ в ней и, возможно, выполняет транспортные функции.
Молекула пахучего вещества, доставленная гранулой-адсорбентом к мембране клетки, взаимодействует с распознающим участком рецептора, который специальным белком G активирует аденилатцинлазу (АЦ) или какой-нибудь другой фермент. Синтезированные при этом внутриклеточные медиаторы (АТФ → цАМФ) активизируют ионные каналы, что приводит к возбуждению электрического сигнала в мозг о появлении запаха.
Исследователи располагают данными, указывающими на то, что нуклеопротеид синтезируется в опорных клетках и входит в состав пигментных гранул, которые выбрасываются из опорных клеток в слизь в ответ на стимуляцию обонятельного эпителия пахучими веществами. Может быть, это одна из основных функций опорных клеток при восприятии пахучих веществ?
Итак, результаты исследований говорят о том, что в процессе восприятия пахучих веществ участвуют две системы рецепторных элементов. Одна из них – система мембранных рецепторов – обеспечивает физиологический ответ клетки, характеризующийся высокой чувствительностью и избирательностью, вторая же – нуклеопротеидной природы – обеспечивает очистку обонятельного эпителия от пахучих веществ после приема сигнала.
Над чем сейчас работают ученые? Одна из задач – дальнейшее исследование свойств рецепторов и в частности определение функциональной роли малой (с молекулярной массой 55 000 дальтон) его субъединицы в реакции клетки на пахучее вещество. Но главное, пожалуй, сегодня не это. Необходимо понять, каким образом взаимодействие рецептора, с пахучим веществом вызывает генерацию электрического ответа клетки. По косвенным данным можно судить, что обонятельная клетка способна реагировать на одну (!) молекулу пахучего вещества – это предел физической чувствительности. Но в этом случае она должна обладать эффективной системой усиления слабых сигналов и чрезвычайно низким уровнем собственного шума. Расшифровать эти механизмы – значит сделать принципиальный шаг в познании общих принципов, лежащих в основе возбуждения клетки. И в этом направлении имеются уже первые успехи.
Познание тончайших механизмов восприятия разнообразнейших запахов, несомненно, имеет далеко идущие перспективы. Об этом свидетельствует то, что новые данные, полученные в лаборатории рецепции, быстро нашли выход в практику. Они послужили основой для разработки способа разделения тутового шелкопряда по полу. На первый взгляд проблема кажется не особенно важной, но такое впечатление ошибочно. С древнейших времен шелководство связано с сортировкой шелкопряда по половому признаку. До последнего времени операция производится вручную, что отнимает массу времени и сил.
Сотрудники лаборатории совместно со специалистами Среднеазиатского НИИ шелководства предложили оригинальный способ, который базируется на применении синтетического полового феромона. Этот способ дает научную основу для коренной модернизации производства грены (яичек шелкопряда) с помощью автоматизации ряда трудоемких операций. Его использование в промышленных масштабах сулит немалую экономию.
Наука и жизнь. 1988. №4.
Обоняние и вкус, некогда столь же необходимые человеку для выживания, как слух, осязание и зрение, ныне гораздо слабее развиты, чем у животных, и играют второстепенную роль.
- Для многих истинная красота роз скрыта в их упоительном аромате.
- Лизнув мороженое кончиком языка, мы во всей полноте ощущаем его изумительный вкус!
С тех пор как человек поднялся с четверенек и оторвал нос от земли, его жизнь перестала в той же мере зависеть от обоняния и вкуса, как жизнь других животных. Утратив былое значение, эти физические чувства теперь служат человеку почти исключительно для выбора и получения удовольствия от еды и питья.
Химическая природа чувств
У вкуса и обоняния общая химическая природа. Это значит, что они представляют собой реакцию на присутствующие в окружающей среде химические вещества. Пробуя что-то на вкус, мы ощущаем присутствие во рту тех или иных химических веществ, а чувствуя запах - регистрируем их наличие в воздухе в газообразной форме.
Чистый воздух представляет собой смесь не имеющих запаха газов - главным образом, азота (78%) и кислорода (21%) с незначительными примесями инертных газов. Воздух может содержать до 5% водяных паров, тоже не имеющих запаха. Любые другие примеси потенциально можно обнаружить по запаху. Даже самые ничтожные концентрации химических примесей можно учуять носом, который подскажет хозяину, что годится в пищу, а что нет, что издает неприятный запах (и лучше держаться от него подальше), а что, возможно, является запахом другого животного - друга или врага.
Обоняние
Хорошо известно, что мы способны распознавать гораздо больше оттенков запаха, чем звуков. Однако ученым трудно уяснить, что же происходит, когда мы обоняем запах, как присутствующие в воздухе химические вещества воспринимаются носом и интерпретируются мозгом. До сих пор нет четкого понимания и того, как язык распознает и преобразует химические вещества во вкусовую информацию.
- Любой шеф-повар скажет, что нельзя судить о свежести продукта по одному внешнему виду. В этой профессии не обойтись без тонкого обоняния.
Тончайшие волоски
Впрочем, известно, что небольшой участок в задней части носовой полости изобилует нервными окончаниями, воспринимающими запахи. Этот участок, называемый обонятельным эпителием, или обонятельной областью, буквально напичкан миллионами нервных окончаний. Каждое из них имеет не меньше десятка тончайших волосков, или жгутиков. Они постоянно увлажняются слизью, которая тоже служит ловушкой для пахучих веществ. Но из-за недоступности обонятельной области ученым трудно исследовать происходящие в ней процессы.
Полагают, что при вдыхании с воздухом доступных нашему обонянию пахучих веществ они растворяются в слизи, увлажняющей жгутики, в результате чего эти тончайшие волоски покрываются раствором пахучих веществ. Реагируя на них, жгутики посылают сигналы обонятельным клеткам для дальнейшей передачи по соответствующим нервным волокнам (их называют обонятельными нервами). Затем эти сигналы передаются в обонятельный мозг - участок головного мозга, гораздо слабее развитый у людей, нежели у животных.
Основные запахи
Насколько мы можем судить, все обонятельные клетки, действующие как рецепторы распознаваемых по запаху химических веществ, абсолютно одинаковы, по этому остается загадкой, как они различают тысячи многообразных запахов.
За многие века люди выделили шесть "основных" запахов: цветочный, фруктовый, зловонный, пряный, смолистый (как скипидар) и запах гари.
Чтобы обладать запахом, вещество должно испарять микроскопические частицы. Наименьшими "кирпичиками" любого вещества являются молекулы, и, как полагают, обонятельные клетки способны различать молекулы по их форме.
Частицы и запах
Чем больше частиц испускает вещество, тем сильнее запах. Например, кипящий на плите куриный суп пахнет сильнее, чем холодная курятина на тарелке, так как с паром в воздух попадает больше пахучих частиц. Они-то и распознаются как запахи в силу своей способности растворяться в воде. Под воздействием тепла в воздух попадает больше частиц, а содержащаяся в воздухе влага обеспечивает их повышенную концентрацию, поэтому в теплой и влажной атмосфере запахи усиливаются. Вероятно, вы и сами замечали, что в теплой дымке после летнего дождя усиливается благоухание сада или травы; или что щепотка соли для ванн издает в горячей воде более сильный аромат, чем целая сухая упаковка.
Адаптация и маскировка
Если вы войдете в помещение, где кто-то ест котлеты с луком, резкий запах тотчас ударит вам в нос, хотя находящиеся здесь же люди его не замечают. Это явление называется адаптацией. Причина, по-видимому, в том, что когда все рецепторы "заполнены" пахучими химическими частицами, они перестают посылать сигналы в мозг.
Возможно, вы задавались вопросом, как освежители воздуха устраняют неприятные запахи. Этот эффект называется маскировкой. Освежитель вовсе не удаляет из воздуха дурно пахнущие частицы, но благодаря его присутствию мы перестаем их замечать. Нечто подобное происходит и при маскировке слуха, когда громкий звук заглушает более тихий, даже если наши уши воспринимают обе частоты. Мы пока не знаем, почему один запах "громче" другого. Само собой, если в воздухе присутствуют два запаха, маскировка происходит далеко не всегда. Часто оба запаха смешиваются либо по-прежнему воспринимаются по отдельности.
Вкус
О вкусе известно гораздо больше, чем об обонянии, и принято считать, что основных вкусов всего четыре: сладкий, соленый, кислый и горький. Но всем богатством оттенков того, что называют вкусом, мы обязаны обонянию. Должно быть, вы успели заметить, что при сильной простуде обоняние на время пропадает, и пища становится безвкусной. А дело в том, что при простуде вы получаете информацию о вкусе только с языка. Как показали опыты, пробуя продукты на вкус только языком, человек не отличает даже очищенного яблока от сырого картофеля.
Рецепторы, улавливающие сигналы от растворенных химических веществ, из которых состоит наша пища, называются вкусовыми сосочками. Это скопления микроскопических клеток, или нервных окончаний, на крохотных бугорках, расположенных на языке, нёбе и гортани. Каждый вкусовой сосочек - это гроздь из 50 с лишним клеток, соединенных с мозгом нервными волокнами. Все вкусовые сосочки способны различать четыре основных вкуса. Некоторые из них служат опорными клетками, остальные же - вкусовыми. Подобно рецепторам запаха, каждая вкусовая клетка имеет крохотный волосок (микровиллу). Внешние оконечности вкусовых сосочков соединены с осязательными нервами, благодаря чему вкус и осязание пищи во рту тесно связаны между собой. Услышав спор о том, какая говядина вкуснее - тонко или грубо нарезанная, - вы можете задаться вопросом, а в чем, собственно, разница. Однако от осязания пищи языком зависит и ее вкусовое восприятие.
Строение языка
Лучше всего реагирует на сладкое верхушка (кончик) языка, на кислое - его боковые края, на соленое - область по соседству с верхушкой и на горькое - прикорневая область. Как и рецепторы запаха, все вкусовые сосочки похожи друг на друга, однако в разных отделах языка они поразному сгруппированы. Все еще остается загадкой, как одни и те же клетки воспринимают разные раздражители. Ученые полагают, что организм вырабатывает так называемые рецепторные вещества, с помощью которых ощущаются различия во вкусе. До сих пор в опытах на животных были открыты только протеины, действующие как рецепторы горечи и сладости. Не исключено, что разные отделы языка вырабатывают разные количества рецепторных веществ. Хотя четкого представления о том, как это происходит, ученые пока не имеют, но уже сейчас можно с достаточной уверенностью предположить, что, вступая в контакт с растворенными химическими веществами, вкусовые сосочки издают соответствующий электрический импульс, который по нервам поступает в головной мозг.
Вкусно или нет?
Помимо вкуса, на наше представление о том, что мы едим, влияет целый букет впечатлений. Прежде всего, газы, выделяемые при пережевывании пищи, поднимаются в полость носа, воздействуя на обоняние. Значение имеет и структура пищи. К процессу подключаются температурные и болевые ощущения - ведь острая пища стимулирует болевые рецепторы (мазнув аджикой по лицу, вы ощутите на коже такое же жжение, как и на языке). Рецепторы осязания и давления подсказывают, что у нас во рту - хрустящие кусочки или крем, жесткая пища или мягкая; уши воспринимают звуки, издаваемые пищей при пережевывании. И, само собой, память - мы надолго запомним вызвавшее отвращение блюдо.
Наконец, глаза докладывают о внешнем виде того или иного блюда, и мы не раз возвращаемся к нему в памяти. Вероятно, у вас не раз текли слюнки не только при виде, но и при одной мысли о чемнибудь вкусненьком. Можно провести с друзьями любопытный эксперимент, пробуя что-нибудь на вкус с завязанными глазами. Вы, например, обнаружите, что не можете отличить апельсиновый сок от грейпфрутового, не видя их и не представив заранее вкуса. Любой хороший повар знает, что красиво оформленное блюдо усиливает аппетит, и ваши эксперименты это подтвердят. Что ни говори, а мы все же привыкли больше полагаться на зрение, чем на обоняние и вкус.
- Наш нюх гораздо слабее, чем у животных, и большинство людей просто не ощущает издаваемых нами природных запахов для привлечения сексуального партнера, полагаясь в этом на искусственно созданные ароматы.
- Определяя качество вина, опытный дегустатор полагается не только на чувствительное нёбо, но и на тонкое обоняние. Для настоящего знатока в букете вина нет секретов.
Знаете ли вы?
- Произрастающий в Западной Африке плод называют "волшебным", потому что он превращает кислую пищу в сладкую. Полагают, что он содержит протеин, заставляющий вкусовые сосочки подавать сигналы о наличии сладости в присутствии кислоты.
- Соленый и сладкий вкус имеют больше общего, чем кажется на первый взгляд. При очень высокой (пороговой) концентрации соль кажется сладкой.
- По некоторым оценкам, для определения вкуса нам требуется в 25 000 раз больше вещества, чем для определения запаха.
- У взрослого человека около 9000 вкусовых сосочков. Удетей их больше.
- Летучие вещества, например, бензин, обычно обладают сильным запахом, так как попадают в нос в довольно высокой концентрации.
- Желая хорошенько принюхаться к чему-нибудь, мы автоматически втягиваем воздух носом, чтобы захватить побольше пахучих частиц.
Правообладатель иллюстрации Getty
Утрата чувства обоняния лишает человека не только способности воспринимать запахи и ароматы. Она влечет за собой самые драматические последствия - какие именно, узнала корреспондент .
Ник Джонсон пробегает глазами по строчкам меню в кафе "Белый пес", представляющем собой нагромождение крошечных комнатушек и чуланчиков в университетском квартале Филадельфии.
"Эмпанады (пироги – Ред. ) с говядиной… Я бы не отказался от них. Но тушеная говядина для меня пропадет впустую. Я избегаю заказывать "фиш-энд-чипс" (рыба, жаренная в кляре и с картошкой-фри - Ред. ) - для меня вся жареная еда на один вкус. Пожалуй, я выберу тако (мексиканскую лепешку) с рыбой. Я знаю, что получу жар острых специй и чуть-чуть аромата ананаса, жгучий перец с авокадо - то, что позволит почувствовать что-то во рту".
Он заказывает тако, нам подают бочковое пиво. Оно называется Nugget Nectar (самородный нектар – Ред. ), его варят на местной ремесленной пивоварне, где Джонсон работал в течение последних 10 лет.
Когда-то пиво Nugget Nectar было его любимым. "Оно обладает прелестным балансом сладости и хмеля. Но теперь, – говорит он, и его лицо мрачнеет, - оно для меня - не более чем видимость своей прежней сущности".
Он может описать запахи пива – аромат сосновой хвои, цитрусовых, грейпфрута. Но почувствовать тот букет он уже не в состоянии.
Правообладатель иллюстрации iStock Image caption Возможно, наш нос способен различать гораздо больше запахов и ароматов, чем мы считаемЛюди не льстят себе мыслью о том, что обладают каким-то необыкновенно острым обонянием, особенно по сравнению с животными. Но, как свидетельствуют данные научных исследований, запахи могут оказывать мощное подсознательное воздействие на человеческие мысли и поведение.
Люди, которые теряют способность различать запахи вследствие несчастного случая или болезни, говорят, что испытывают чувство огромной утраты, которая так влияет на их жизнь, что они и представить себе не могли.
Быть может, мы не слишком высоко ставим обоняние в рейтинге наших чувств - и скорее всего потому, что мы едва ли осознаем, какую роль оно играет в нашей жизни. До тех пор, пока не лишаемся его.
Джонсон, которому сейчас 34 года, может точно назвать день, когда он потерял чувство обоняния. Это произошло 9 января 2014 года. Он играл с друзьями в хоккей на замерзшем пруду в городке Колледжвилль, штат Пенсильвания, где живут его родители.
Каких результатов мы могли бы достичь, если более основательно принюхивались к окружающему нас миру?
"Я проделывал это миллион раз, - вспоминает он. – Я медленно катился спиной вперед, и тут конек угодил в борозду на льду. Ноги подкосились. Я упал навзничь и ударился правой стороной затылка. Я отключился, а когда пришел в себя, то находился уже в машине скорой помощи. Надо мной склонились люди, из уха текла кровь".
Он порвал себе барабанную перепонку, а череп треснул в трех местах. Произошло кровоизлияние в мозг, его сотрясали судороги. "Я понятия не имел, что со мной происходит".
Он быстро поправился, шесть недель спустя получил разрешение сесть за руль и вернулся к работе в качестве регионального менеджера по продажам в пивоварне Tröegs.
Вскоре он оказался среди участников совещания, посвященного новому сорту пива. "Мы дегустировали пиво, и коллеги спрашивали, ты чувствуешь в нем хмель? А я не чувствовал. Потом попробовал на вкус. Ребята говорили: "у него такой бледный бисквитный привкус", а я этот привкус не ощущал. Потом я попробовал другой сорт, более хмельной, но и теперь не почувствовал аромата. Тогда у меня в голове словно что-то щелкнуло".
Стрессом, вызванным травмой, и приемом разного рода медикаментов, вероятно, можно объяснить тот факт, что он не сразу понял, что лишился чувства обоняния. Поначалу открытие вызвало шок. Теперь же, однако, он отчетливо понимает, к чему это привело.
Утрата удовольствия от еды и напитков – общая жалоба для людей, потерявших способность ощущать запахи.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Джонсону очень больно, что он больше не чувствует запаха своего ребенкаЯзыком мы ощущаем вкус сладкого, соленого, горького, кислого и умами (так называемый пятый вкус, который придают пище некоторые вкусовые добавки, например, глутамат натрия - Ред ).
Восприятие более сложных комбинаций вкусов, скажем грейпфрута или стейка, приготовленного на барбекю, зависят от запаха. Но для Джонсона и многих ему подобных людей, неспособных воспринимать запахи, существует еще одна абсолютная утрата.
Во время происшествия с Джонсоном, его жена была на восьмом месяце беременности, ожидая их второго ребенка.
За обедом он сказал: "Я порой шучу, что не чувствую запаха подгузников моей дочери. Но и ее собственный запах я тоже не чувствую. Она проснулась в четыре часа утра. Я держал ее на руках, мы лежали в кровати. Я знаю, как пах мой сын, и когда он был младенцем, и когда немного подрос. Иной раз он пах не очень хорошо, но с ним у меня связано воспоминание о чудесном запахе ребенка. С дочерью мне не пришлось испытать ничего подобного".
Как это происходит
По разным подсчетам, число индивидуумов, не чувствующих запахи, составляет несколько процентов от всех взрослых людей. Это значит, что без обоняния живут миллионы человеческих существ.
Кто-то таким родился, кто-то потерял эту способность в процессе жизни. Одна из самых распространенных причин потери обоняния у людей младшего возраста – хронический синусит или воспаление слизистой оболочки придаточных пазух носа.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Наш язык чувствует сильные вкусовые ароматы, но для полноты картины нужен и запахЕще один фактор риска заключается в том, что обонятельные нервы оканчиваются в верхних частях носовых полостей, слизистой оболочке носовой раковины и носовой перегородке, что делает их очень уязвимыми для токсичных веществ, содержащихся в окружающей среде, и для различных инфекций.
У людей старшего, но не пожилого возраста, проблемы с обонянием чаще возникают из-за вирусных инфекций. Даже обычная простуда может оказаться опасной, однако никто не может сказать, почему одни люди теряют по ее вине обоняние, а другие – нет.
К возрасту 70-80 лет мало кому удается избежать существенного ослабления обоняния. Организм обладает способностью к регенерации: нервные клетки постоянно отмирают и заменяются новыми. Однако с возрастом этот процесс замедляется, и участки поверхности слизистой оболочки носа, лишенные обонятельных рецепторов, становятся более обширными.
У Ника Джонсона, вероятно, произошло катастрофическое повреждение обонятельных нервов. Проходя от носа к мозгу, эти нервы проникают сквозь пористую костную пластинку, называемую решетчатой костью.
Когда он ударился головой о лед, внезапное смещение мозга внутри черепа могло привести к тому, что обонятельные нервы были серьезно повреждены или даже перерезаны костью, а это не позволяет сигналам из носа поступать в мозг.
Как работает запах
Джонсон сильно принюхивается к содержимому своего стакана с пивом Nugget Nectar, когда-то его любимым. Летучие химические вещества, поднимающиеся с поверхности жидкости, глубоко проникают в его ноздри и достигают верхней части носовой полости, которая и отвечает за восприятие запахов.
Потом он делает маленький глоток, и эти вещества попадают из гортани в тот же участок его носа. Пока все идет, как полагается.
Сейчас никто не возьмется сказать, взглянув на молекулу, как она будет пахнуть, и будет ли пахнуть вообще. Что мы знаем наверняка, так это то, что если некая субстанция по своей природе обладает запахом, ее молекулы должны легко испаряться, дабы они могли переноситься по воздуху, и их можно было вдыхать. Кроме того, они должны растворяться в слизи, чтобы их можно было засечь.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Нервные окончания обонятельных рецепторов скрыты в слизистой оболочке носаСо здоровыми людьми, нюхающими пиво, либо собственного ребенка или майку, принадлежащую их партнеру, происходит именно это: у них возникает своего рода "обонятельный образ" пива или человека, сложное ароматическое целое, которое едва осознается.
Нервные окончания обонятельных рецепторов скрыты в слизистой оболочке носа. Эти нервные клетки ведут непосредственно в мозг.
И хотя мы обладаем миллионами таких клеток, их, как представляется, существует всего около 400 видов, каждый из которых связан с определенной молекулой.
Численность типов клеток остается предметом споров. Некоторые полагают, что их не больше 100.
Исходя из последовательности активации рецепторов различных типов, когда я нюхаю Nugget Nectar, я понимаю, что передо мной пиво . Джонсон не чувствует никакого запаха – в результате падения его обонятельные нервы были повреждены или даже погибли, поэтому его мозг не получает никаких сигналов о запахе напитка.
Пока Джонсон не пережил травму, у него был очень чувствительный нос. Не в пример мне, он легко отличил бы Nugget Nectar от других сортов пива. Такая способность приходит с опытом.
Репутация людей подмочена тем обстоятельством, что они сравнительно мало принюхиваются
После того, как поступивший сигнал о запахе обработан, эта информация передается в различные отделы мозга, в том числе те, которые отвечают за память и эмоции, а также в кору, где происходит процесс мышления.
Мы можем быстро научиться сопоставлять схему активации рецепторов с источником пахучих молекул.
До недавнего времени бытовало представление, что люди способны улавливать не более 10 тысяч различных запахов. Однако эти представления подверглись радикальному пересмотру, если верить Джоэлю Мейнленду, который занимается исследованиями фундаментальных основ запахов в Монелловском Центре по изучению химических чувств в Филадельфии, штат Пенсильвания (который является одним из ведущих мировых институтов, специализирующихся на вкусах и запахах).
По данным статьи, опубликованной недавно в журнале Science, люди способны улавливать более триллиона запахов. Возникли определенные проблемы с методологией этого исследования, да и достоверность самой цифры вызывает споры, однако Менйленд считает, что мы явно недооцениваем свои способности.
По характеру своей работы Джонсону пришлось пройти все виды сенсорных тренировок, чтобы усовершенствовать восприятие запахов и вкусов. Все прочие люди тоже, надо полагать, обладают неисчерпаемыми возможностями, скрытыми до поры до времени.
Да, собаки славятся своей способностью обнаруживать запах человека на другом конце поля. Когда Мейнленд был еще аспирантом, его научный руководитель предложил ему заняться вопросом, возможно ли научить людей тому же. Как выяснилось, да, возможно.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption У коров обонятельных рецепторов больше, чем у собакУ собак больше обонятельных рецепторов, чем у людей. Однако, как указывает Мейнленд, у коров их больше, чем у собак – около 1200 против 800, - но это вовсе не означает, что у коров обоняние острее.
В этом смысле репутация людей подмочена тем обстоятельством, что они сравнительно мало принюхиваются, а это упражнение при регулярности повторения могло бы развивать обоняние.
Каких результатов мы могли бы достичь, если более основательно принюхивались к окружающему нас миру?
Эмоциональное состояние
Одной из причин, которая заставила бы нас развивать собственное чувство обоняния, могло бы стать желание и потребность в улучшение способности ориентироваться в социальной среде.
Некоторые люди, от рождения лишенные обоняния, с трудом могут определить эмоциональное состояние окружающих, говорит Мейнленд. Они понимают, что в то время, когда они сами ориентируются главным образом на выражения лиц, их друзья, наделенные обонянием, улавливают сигналы, ускользающие от них.
Эти сигналы настолько сильны, что способны опровергнуть эмоциональную информацию, которая передается улыбкой или хмурой гримасой.
Если потеря обоняния – это плата за жизнь, я ее принимаю Ник Джонсон
Можно представить себе разговор в группе друзей, объясняет Мейнленд, и вот один из них говорит: "Она была очень расстроена". Ему отвечают: "Она выглядела вполне довольной жизнью". Первый: "Да уж, она выглядела довольной, но очевидно, что ей было не по себе".
Ученые выяснили, что запах может менять настроение и поведение людей. Джордж Претай из Монелловского центра и его коллеги установили, что экстракт запаха из подмышек мужчины не только влияет на женскую физиологию, меняя уровень гормонов, задействованных в регулировании менструального цикла, но и позволяет женщинам чувствовать себя более раскованно и менее напряженно.
Вместе с когнитивным психологом Пэм Долтон, такой же, как он, сотрудницей Монелловского центра, Претай обнаружил свидетельства того, что люди - зачастую неосознанно - способны улавливать запахи человеческого тела, выделяемые под воздействием стресса.
(Памелла Долтон, прежде чем прийти в Монелловский центр по изучению запахов и вкусов, работала в министерстве обороны США. Там она занималась разработкой нелетальных вооружений, в частности эффектами, которые оказывают на живую силу противника усиленные дурные запахи. – Ред.)
Таким образом, получается, что люди без обоняния упускают множество деликатных социальных сигналов. Можно ли что-то для них сделать?
Существуют некоторые, довольно эффективные, методы лечения. Если обоняние пропадает по причине хронического синусита, потеря ощущения запахов обратима, порой довольно быстро, – нужно только вылечить болезнь.
Однако возможности для оказания помощи таким пациентам, как Ник Джонсон, увы, не слишком велики.
Он обратился в Морелловский центр за помощью, и главная рекомендация, которую получил от тамошних ученых, заключалась в том, чтобы он активно принюхивался к разным запахам пару раз в день.
Считается, что это помогает стимулировать систему обоняния и может способствовать выздоровлению.
В будущем положение дел может измениться. Одна из научных бригад в Монелловском центре проводит эксперименты со стволовыми клетками носоглотки. Сейчас ученые заняты тем, что пытаются преобразовать стволовые клетки в нервные клетки.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Джонсон понял, что именно он потерял, когда не смог различить аромат пиваОни надеются, что такой метод позволит обеспечить новыми обонятельными нервами людей, чьи собственные рецепторы претерпели необратимые повреждения в результате травмы или были дефектны от рождения.
Команда исследователей планирует начать испытания на животных уже в сентябре 2015 года, и если эксперименты окажутся удачными, перейти к работе с людьми через пять-десять лет.
Уже есть некоторые многообещающие признаки, и это – лучик надежды для Ника Джонсона. Некоторые сильно пахнущие вещи вызывают у него ощущение запаха, хотя оно всегда одинаковое.
Раньше это была жуткая вонь пригоревшего растительного масла, говорит он. Несколько месяцев спустя он стал ощущать какой-то сладковатый запах. Возможно, это может оказаться каким-то признаком начавшегося восстановления системы обоняния.
Джонсон говорит, что настроился на позитивный лад и намерен вести образ жизни, максимально близкий к тому, каким он был до травмы. Он снова начал играть в хоккей, правда, теперь, улыбается он, пришлось обзавестись самым лучшим шлемом, который только можно купить.
Он понимает, насколько серьезным был приключившийся с ним несчастный случай, но вместе с тем осознает, что все могло оказаться гораздо хуже.
"У меня было кровоизлияние в мозг. Я запросто мог умереть. Моя позиция такая: я счастлив, что выжил. Если потеря обоняния – это плата за жизнь, я ее принимаю".
Это сокращенная версия статьи, первоначально опубликованной на сайте Mosaic . Она воспроизводится на условиях лицензии Creative Commons . Узнать больше по теме, затронутой в статье, вы сможете, посетив сайт Mosaic (на английском языке).
Запах - это способность вещества воздействовать на рецепторы обонятельного анализатора, что сопровождается возникновением специфического ощущения.
Обоняние увеличивает объем информации об окружающем мире.
Существует несколько теорий восприятия запахов. По химической теории запах - это следствие присутствия в окружающей среде определенных концентраций пахучих молекул. Недостатком химической теории запаха является то, что она не объясняет, почему молекулы различных структур имеют одинаковый запах. В то же время молекулы, имеющие разное строение и химический состав, могут обладать одинаковым запахом.
Согласно стереохимической теории , запах обусловлен формой и размерами молекул, а не их химическим составом. Запах вещества зависит от того, насколько точно их молекулы вписываются в соответствующие лунки, расположенные на рецепторных мембранах обоняния. Однако эта теория не может дать ответ на все вопросы, связанные с восприятием запахов.
Согласно квантовой теории , восприятие запахов связано с колебательными движениями атомов, входящих в состав ароматических веществ. В результате колебаний атомов возникают электромагнитные волны, которые поглощаются рецепторной мембраной и трансформируются в ощущение запаха. Но эта теория не может объяснить, почему два вещества имеют совершенно разные запахи, хотя электромагнитные колебания их атомов полностью совпадают. Эта теория также не дает ответа на все вопросы [Губанов Н.И. и др., 1978]. По-видимому, имеют значение структура, форма молекул и их квантовые свойства. До сих пор не известно, какое именно свойство пахучего вещества вызывает нервный импульс.
У человека обонятельные клетки (обонятельные нейроны) входят в состав обонятельного эпителия. Они расположены в верхнем носовом ходе и задней части носовой перегородки. Обонятельные клетки лежат тонким слоем, живут около 60 дней и гибнут. Затем они дифференцируются из базальных клеток. Обонятельные клетки являются единственными нейронами, способными в течение всей жизни организма непрерывно обновляться. Эти клетки расположены среди обонятельного эпителия, в состав которого входят также клетки ненейронной природы, опорные клетки, разделяющие рецепторные клетки. Базальные клетки выполняют функцию стволовых. За счет базальных клеток обонятельные нейроны способны к постоянному обмену и регенерации. Секреторные клетки обонятельных (боуменовых) желез продуцируют слизь.
Чувствительная площадь первичного контакта воспринимающей поверхности с пахучими молекулами представляет собой обнаженное вещество самого нерва, т.е. при ощущении запаха происходит непосредственный контакт с окружающим миром [Райт Р.Х., 1966].
Учитывая количество обонятельных волосков, их длину, диаметр, можно рассчитать, что, например, у кролика первичная площадь контакта между пахучими молекулами и воспринимающей поверхностью составляет 600 м 2 . У человека она в 100 раз меньше. Эта чувствительная поверхность представляет собой обнаженное вещество нерва.
У человека количество обонятельных клеток составляет около 60 млн. Импульс в отдельном нервном волокне возникает при попадании на его рецепторы 8-10 молекул пахучих веществ. Ощущение запаха возникает, если одновременно возбуждается не менее 40 нервных волокон.
Обонятельные клетки имеют форму веретена с двумя отростками - периферическим и центральным. От периферического (апикального) отдела отходит дендрит, который заканчивается обонятельной булавой, несущей 10-15 ресничек - обонятельных рецепторов, которые находятся в слое слизи и медленно, но несинхронно колеблются [Бронштейн А.И., 1950].
Молекулы ароматических веществ сначала поглощаются слизью, затем контактируют с ресничками и рецепторными молекулами в мембране обонятельных клеток.
Сходство и различие запахов связывают, во-первых, со структурой (т.е. с конфигурацией пахучих молекул и рецепторных участков на поверхностной мембране обонятельных волосков), во-вторых, с колебательными свойствами пахучих молекул (соответствием резонансных колебательных частот молекул ароматических веществ и рецептора).
Обонятельные рецепторы - это выросты плазматических мембран. Каждая из них состоит из 9 пар двойных трубочек, расположенных по периферии реснички, и одной пары, расположенной в центре. Они - участники рецепции, усиления сигнала и преобразования его в изменение биоэлектрической активности клетки. Рецепторы распадаются на группы с одинаковыми спектрами, т.е. одинаковыми ответами на стимул. Выделяют три группы рецепторов:
· реагирующие на феромоны;
· реагирующие на запахи пищи;
· реагирующие на широкий круг веществ.
Механизм преобразования сигнала при изменении ионной проницаемости плазматической мембраны клетки, дающий начало развитию рецепторного потенциала, до конца не расшифрован.
Исследователи считают, что трансдукция обонятельного сигнала сопряжена с цитоскелетом обонятельных нейронов. Основная роль отводится микротрубочкам, которые, как полагают, участвуют в рецепции, трансформации и проведении стимулов внешней среды. Акцепторной молекулой одорантов служит тубулин - основной белок микротрубочек [Этингоф Р.Н. и др., 1987].
От центрального (дистального) отдела обонятельной клетки отходит аксон. В виде нескольких (до 20) тонких нитей он проникает через отверстия решетчатой кости и поступает в мозг, образуя на нижней поверхности лобной доли обонятельные луковицы. Внутри такой луковицы аксоны переплетены между собой и заканчиваются в теле клубочка, где имеются синапсы, через которые нервные импульсы с помощью неиромедиаторов передаются в обонятельные структуры мозга [Шеперд Г., 1978].
Ключевой системой действия растительных ароматических веществ является лимбическая система, включающая гиппокамп, гипоталамус, миндалевидное ядро и другие образования. Эти структуры названы обонятельным мозгом. Лимбическая система действует совместно с корой больших полушарий и ретикулярной формацией.
Эмоциональные напряжения, стрессы, действие экологических факторов сопровождаются глубокими сдвигами во многих функциональных системах организма. При этом первичные запускающие изменения, ведущие к патологии, происходят в лимбической системе.
Растительные ароматические вещества осуществляют свое действие через лимбическую систему, что сопровождается нормализацией нейрофизиологической функции лимбической системы, включением гипофизадреналовой системы, формированием биорегулирующих эффектов на всех органах и системах организма.
В последние годы выявлена ноотропная активность растительных ароматов на медиаторное звено ЦНС. Так, ароматы лаванды способствуют выделению серотонина, ароматы жасмина стимулируют выделение эндорфинов, а герани - действуют на ацетилхолин. Ароматы мяты способствуют снижению повышенного количества катехоламинов и т.д.
Привлекают внимание особенности и закономерности действия растительных ароматов через органы обоняния и обонятельный мозг на различные органы и системы. Они характеризуются сверхмалыми дозами (в диапазоне 10 -18 - 10 -10), а также противоположно направленным эффектом при более высоких дозах. Кроме того, несмотря на различный химический состав действующих ароматов и объектов, наблюдаются общие закономерности их действия в сверхмалых дозах. В этом диапазоне активны именно регуляторные вещества, которые в основном имеют пептидную и полипептидную природу, однако и некоторые вещества непептидной природы (в частности, растительные ароматические) действуют в сверхмалых дозах.
В нашей лаборатории на животных получены данные о действии растительных ароматических веществ (РАВ) на соматические клетки в сверхмалых дозах - на уровне 10 -10 - 10 -9 .
Нередко ароматы растений независимо от того, ощущаем мы их в атмосфере или нет, оказывают биорегулирующие эффекты.
