Сторінка українською мовою | Страница на русском языке

Якщо із зором учені розібралися доволі давно й докладно, то зі сприйняттям запахів (хімічною комунікацією), мабуть, усе ще попереду. Кілька років тому за дослідження механізмів нюху присудили Нобелівську премію, і, тим не менш, залишається ще багато невирішених питань. Досі не з'ясовані хімічні формули речовин, які слугують нюховими сигналами в ссавців (розшифровані лише деякі з цих речовин), а також не зрозумілий точний механізм їхнього розпізнавання і те, як вони впливають на поведінку.

А по-простому: ніхто не може точно пояснити, як собака впізнає людей за їхнім запахом (адже ми, вочевидь, усі пахнемо по-різному, але самі цього не відчуваємо), які нові послання він винюхує щоразу на подвір'ї, як вовк впізнає свою вовчицю (не за зачіскою та фігурою, а саме за запахом), які пахучі речовини спричиняють стрес, агресію, сексуальне переслідування...

Далеко не все у світі тварин і людському суспільстві побудовано на запахах. Хоча спекуляцій на цю тему більш ніж достатньо, дослідники в цій складній проблемі тільки почали розбиратися.

Чим і як ми нюхаємо

Древні греки вважали, що в носі існує пряма щілина в мозок, тому, коли людина втягує в себе повітря, разом із ним пахучі частки потрапляють прямо туди, де вона і розрізняє запах. Це твердження не таке вже й помилкове. Запах - відчуття, що виникає в людини під час вдиху і потрапляння летких речовин на спеціалізовані нюхові клітини. У людей їх 10^7, у багатьох ссавців тварин - на порядок більше. Ці клітини розташовані на рівні очей у носі і ніби висять "вниз головою", точніше - вниз стирчать їхні відростки, на яких розташовані молекулярні рецептори. Після їхньої взаємодії з пахучими речовинами відкриваються іонні канали, і виникає електричний імпульс, що потрапляє в нюховий мозок. Тільки нюхові клітини, які безпосередньо контактують із зовнішнім середовищем, обходяться без посередників, будь-які інші клітини органів чуття (наприклад, сітківки ока) доносять інформацію до мозку через вторинні рецептори. Крім нюхових клітин, у сприйнятті деяких хімічних речовин беруть участь так звані вомероназальні (додаткові нюхові клітини) і смакові клітини, а також вільні закінчення звичайних нервових клітин.

Около нас пахне практично все, при цьому людський ніс, на відміну від собачого, щось може вловити й оцінити, а щось ні. Щоб оцінити різницю між нюхом собаки та людини, достатньо порівняти площу клітинних відростків, на яких розташовані молекулярні рецептори (імовірно, мембранні білки), що безпосередньо взаємодіють із пахучими речовинами. У людини ця поверхня займає близько 25 см2, а у собаки - приблизно 6 м2. Ми сприймаємо, наприклад, запах брудного або чистого тіла, аромат парфумів або квітів, але зазвичай не розрізняємо генетично зумовлений індивідуальний запах людини. (Щоправда, у людини є одне з яскравих джерел індивідуального запаху - тім'ячко, і матері легко за його запахом відрізняють своїх дітей). Собаки ж за запахом ідентифікують не тільки своїх побратимів, а й нас, людей.

Строго кажучи, фізіологічно ми сприймаємо за допомогою нюхової системи зміну складу парів летких речовин у повітрі. За незмінного складу парів настає адаптація і зникає сприйняття запаху, тому якщо зайти в приміщення, яке сильно пахне, і провести там п'ять-шість хвилин, то здасться, що запах зник. Щоб знову його відчути, потрібно відчинити двері або кватирку і змінити склад повітря, яке ми вдихаємо.

Складний об'єкт

Але що таке запах з точки зору хіміка, які речовини пахнуть? Далеко не всі - з 10 млн. відомих органічних речовин таких лише 10%. Дуже довго хіміки намагалися знайти залежність між будовою хімічної речовини та її запахом. Результати не блискучі. Відомо, що якщо молекулярна маса речовини більше 400, то вона не пахне, оскільки просто не дає пари в потрібних кількостях. А ось які з тих, що залишилися, пахнуть, сказати досить важко. Та й з парами в потрібних кількостях теж однозначної відповіді немає - передбачити мінімальну дозу речовин, за якої відчувається запах (нюхові пороги), на підставі їхньої хімічної структури не вдається. Виявилося, що ці самі пороги дуже різні. Одні речовини збуджують нюхові рецептори в кількості 10^-3 г, інші ми відчуваємо, коли їх у повітрі всього кілька фемтограмів (10^-15 г), тобто діапазон - 12 порядків! Щоправда, речовин, запах яких людський ніс у змозі вловити, існує не більше сотні, у великих же дозах ці та інші речовини можуть одночасно збуджувати багато специфічних рецепторів, викликаючи ще й сумарні запахи.

Проблема в цій галузі науки почасти полягає в тому, що навіть людський ніс (не кажучи вже про собачий) набагато чутливіший за прилади. Хроматографи та мас-спектрометри працюють, як правило, до концентрацій 10^-9 г (нанограми), а носом ми, як уже зазначено, відчуваємо і пікограми (10^-12 г), і навіть фемтограми. Тому коли дослідники аналізують запахи фізико-хімічними методами та намагаються визначити речовини, що передають якусь інформацію, відповідь на поставлене запитання не завжди вдається отримати. У вітчизняній парфумерії був кумедний випадок: змінили методику очищення одного з компонентів парфумів, після чого його хроматограма стала ідеальною (один пік, без усіляких домішок), але натомість для парфумера ця речовина почала пахнути гаром. Значить, у ній були домішки, які вловлював ніс, але не міг розрізнити хроматограф. І нічого зробити було неможливо, оскільки доступні інструментальні методи стверджували, що речовина чиста, а для носа вона була брудною!

Безсумнівно, чистота пахучої речовини - річ тонка. За багато років роботи з такими складними субстанціями ми виробили такий підхід: чистити їх дуже обережно, щоб не тільки не втратити жодну з фракцій, а й не змінити співвідношення між компонентами! Розділяючи такі речовини, ми пронюхуємо кожну фракцію і навіть нульову лінію або робимо низку біотестів, і часто виявляється, що основна речовина не пахне нічим, а запах дає домішка, якої менше 0,001%. Ось чому при роботі з пахучими речовинами доречно говорити не про хімічну, а про "парфумерну", або "нюхову", чистоту препарату.

Крім того, що ніс до деяких речовин набагато чутливіший за прилади, він ще й аналізує суміші пахучих речовин не так, як фіз-хіміки, оскільки робить інтегральний аналіз, а не за окремими компонентами. Дослідники за допомогою хроматографів поділяють суміш летких речовин на окремі компоненти, виділяють і потім характеризують послідовно кожну речовину. Ніс, у якому, як ми вже знаємо, міститься 107-108 клітин і, як вважається, приблизно тисяча молекулярних рецепторів, робить миттєвий паралельний аналіз усіх речовин, тобто отримує одразу якийсь "нюховий образ". Це принципова відмінність: носом ми інтегруємо суміші, тобто миттєво отримуємо інтегральний аналіз, а фізико-хімічний аналіз диференціює, тобто просто розбирає суміш на окремі компоненти.

Це солодке слово "феромон"

Термін "феромони" з'явився на початку 1960-х років, коли дослідники з'ясували, чому самка тутового шовкопряда приваблює самців на великих відстанях. Коли наприкінці 50-х років А. Бутенандт, який на той час уже здобув Нобелівську премію за відкриття і встановлення структури жіночих статевих гормонів, зайнявся потягом самців шовковичного шовкопряда до самиць з великих відстаней, більшості дослідників здавалося, що тут справа у хвильових ефектах, а не в хімії. Якщо робота з жіночими статевими гормонами зажадала 18 тис. л сечі кобил, звідки було виділено кілька міліграмів потрібної речовини, то за тридцять років на вівтар науки лягли майже півмільйона незайманих самок шовкопряда. Отримавши 4 мг речовини, без жодної хроматографії та мас-спектрометрії Бутенандт зумів довести, що саме вона приваблює самців. Причому одна самка виділяє цю речовину в таких малих кількостях, що ми й сучасними методами не зможемо її заміряти, - мільйонні частки мікрограма. Феромонами стали називати речовини, що виділяються комахами і впливають на поведінку особин протилежної статі того ж виду, зокрема на розмноження. Звісно, коли дослідники перейшли до роботи зі ссавцями, все виявилося набагато складнішим.

У всіх ссавців, включно з людиною, на поверхні тіла є шкірні залози, які виділяють притаманний тільки цій особині запах (що включає ті самі феромони), і логічно припустити, що він може бути сигналом для інших індивідуумів і впливати на їхню поведінку. Сенс життя й основне завдання ссавців - збереження генетичної інформації в часі, тобто продовження роду. Але ж за якимись ознаками треба вміти відрізняти тварину, з якою можна спаровуватися. Нюхові сигнали дуже легко дозволяють це робити.

Тіла ссавців виділяють тисячі летких речовин, частина з яких несе інформацію про вид, стать, індивідуальні якості та фізіологічний стан особини. Їх настільки багато і виділяються вони в таких невеликих кількостях, що встановити, чи є серед них якась одна головна, відповідальна за фізіологічний або поведінковий ефект, практично неможливо. Запах кожного ссавця - це образ, тобто неповторна суміш і комбінація пахучих речовин. Я гадаю, що і феромони ссавців - це теж складна суміш, оскільки навіть у примітивного тутового шовкопряда спочатку виділили головний компонент (бомбікол), що відповідає за приваблення самців, а вже потім виявили інші, не менш важливі допоміжні компоненти.

Усі феромони ссавців ділять на два великі класи: релізери та праймери. Перші викликають миттєву зміну поведінки: агресію, статеву поведінку, уникнення, переляк тощо. Другі впливають на ендокринну систему і в результаті через якийсь час змінюють фізіологічний стан організму. Наведу лише кілька прикладів із життя братів наших менших.

Вчені провели доволі багато цікавих експериментів із дикими сірими щурами, пацюками. Наприклад, ми вирішили, що вони не гірше за собак можуть запам'ятовувати індивідуальний запах людей і легко їх розрізняти (адже вони такі розумні!). Дійсно, виявилося, що щури легко, з першого разу запам'ятовують особистий запах людини, пам'ятають його щонайменше місяць і, що найцікавіше, знають, якої вона статі. Останнє було зрозуміло, оскільки всі щури (і самці, і самки) достовірно довше досліджують запах самців будь-яких видів ссавців, зокрема й людини. А ще у щурів, а також у будинкових мишей були знайдені просто фантастичні ефекти. Дуже хотілося б знати, чи відтворяться на багатьох інших ссавцях.

Якщо запустити в клітку самця, то в самок щурів синхронізуються статеві цикли. Також запах дорослого самця прискорює статеве дозрівання самок і гальмує статеве дозрівання самців. Ще один ефект, з яким ми також працювали на будинкових мишах у нашій лабораторії, це так званий Брюс-ефект (за прізвищем англійки, яка його відкрила). Якщо самка запліднена самцем і продовжує сидіти з ним в одній клітці, то вона благополучно народить, а якщо підсадити її до чужого самця або помістити в клітку із запахом чужого самця, то вагітність блокується (зародок не прикріплюється до стінки матки). Багато дослідників намагалися ідентифікувати речовини, які впливають на цей ефект, але нікому, включно з нами, досі це так і не вдалося.

Нам вдалося поставити новий цікавий експеримент, але він відповідав скоріше на біологічне, а не хімічне питання. Ми подумали: "А сам-то щур хоче народити?" Якщо після запліднення самка сидітиме в атмосфері свого самця - вона народить, а в атмосфері чужинця - ні. Заплідненій самці було надано самостійний вибір клітки із запахом свого або чужого самця. Виявилося, що за вільного вибору близько половини самок "не хотіли" народжувати, тобто обирали клітку із запахом чужого самця.

Одно з наших досліджень на сірих щурах закінчилося цілком практичним результатом. Ми звернули увагу, що предмети, мічені своїми родичами, щури досліджують набагато довше і детальніше, ніж предмети із запахом інших видів тварин. Зрозуміло, хто буде довше читати текст незрозумілою китайською мовою, якщо поруч є текст рідною? Ми виділили із сечі щурів три групи хімічних речовин: нейтральні, кислоти та основи (аміни). На жодну з них окремо щури не реагували так, як ми очікували, тобто не досліджували достовірно довше, ніж сечу домовика. Тоді ми стали змішувати ці групи попарно. Як не дивно, саме поєднання основ з кислотами, які, здавалося б, мали б давати мало леткі солі, і викликали пильний щурячий інтерес.

Ми запатентували препарат - синтетичний аліфатичний амін, нейтралізований нижчими жирними кислотами, який треба наносити поруч із харчовою приманкою в щуроловках. На таку приманку потрапляє на 20% більше щурів (що багато для цих розумних тварин), а головне, ловиться найобережніша категорія - щури-лідери (великі самці) і вагітні самиці.

Приворотне зілля

Напевно, усім хочеться знати - а в людини, нарешті, знайшли ці самі, притаманні тільки нашому виду речовини, які приваблюють протилежну стать і забезпечують продовження виду? Ні, не знайшли, хоча я впевнений, що вони є. Андростенон (для хіміків це 5-α-андрост-1-6ен-3-он, речовина, близька за хімічною будовою до тестостерону - одного з чоловічих статевих гормонів), який додають до парфумів, ніяк не можна назвати "людським атрактантом". Цю речовину, якою пахнуть кнури і багато чоловіків, безумовно, можна вважати візитною карткою чоловічої статі, оскільки жінки нас за нею і відрізняють (якщо не намазатися до невпізнання дезодорантом).

А ось у жінок так і не знайшли подібної хімічної речовини, притаманної тільки прекрасній статі. Тієї, понюхавши яку, з упевненістю можна сказати, що так пахне дама. У тварин знайшли: у хохулі - співвідношення деяких аліфатичних н-пропілкетонів секретів хвостової залози, що дає змогу відрізняти самців від самок (дані хроматомас-спектрометричного аналізу); у золотистого хом'ячка - леткі органічні сполуки двовалентної сірки та деякі інші. За логікою мають знайти й у жінок. Були публікації про те, що у вагінальних виділеннях мавп знайдено нижчі жирні кислоти, які виконують функції статевих феромонів самок (ті самі кислоти було знайдено у виділеннях жінок), але потім ці дані не підтвердилися. Нині ми все ще не знаємо, яку специфічну суміш хімічних речовин виділяють жінки, що може так впливати на чоловіків, як андростенон на жінок.

З андростеноном же не все складно. Дивина полягає в тому, що його "унюхують" тільки жінки (чоловіки його, як правило, не відчувають), і їхня загальна реакція навіть на його кількості, що зникають, як правило, настільки негативна, що з вами потім можуть і не привітатися. Жінкам ця речовина не подобається, хоча вони усвідомлюють, що це запах чоловіка, і, здавалося б, він не повинен бути відразливим.

Невідомо, чи подобається він самкам свиней (кнури його виділяють у неабиякій кількості), але діє він на них безвідмовно. Якщо самкам давати нюхати андростенон, то проблем зі штучним заплідненням не буде. Річ у тім, що коли група свиней, у яких зовсім різні цикли, чекає запліднення, тобто відповідного моменту циклу, то процес розтягується на місяць і більше. Запах андростенону у всієї групи синхронізує цикл, і все відбувається швиденько за десять днів. Але він же викликає характерну позу нерухомості у свині в потрібній фазі статевого циклу. Якщо згадати нашу класифікацію феромонів, то зрозуміло, що андростенон - і релізер, і праймер, оскільки дає миттєві зовнішні спостережувані зміни поведінки, а через певний час - фізіологічного (ендокринного) стану.

Експерименти з андростеноном ми ставили й на людях. Він хоч і не працює як чоловіче приворотне зілля (що б не стверджувала реклама), але в нас вийшло, що одним його понюхом можна впливати і на тривалість жіночого статевого циклу. Якщо це фолікулярна фаза (коли дозріває яйцеклітина), то цикл коротшає на кілька днів, а якщо лютеальна фаза, коли яйцеклітина відмирає, то цикл подовжується. Подібні дослідження проводили американські фахівці, роблячи жінкам-добровольцям гормональні тести під час усього статевого циклу, але не довели їх до логічного кінця. На людях ці тести дорого коштують, і до жінок у такому експерименті ставлять особливі вимоги, які в Америці нелегко виконати.

Є ще одна дивина з андростеноном: деякі жінки, як і багато чоловіків, його запаху не відчувають, і андростенон на них ніяк не впливає. Навіщось природа влаштувала так, що жінки, які сприймають запах цієї речовини як неприємний, під його впливом змінюють свій фізіологічний стан, а решта захищена від наслідків андростенонової атаки.

Що може ніс

Повернемося до людського носа. Це ще одна складність у просуванні науки про запахи, оскільки на ньому дуже важко ставити експерименти. Почнемо з того, що в різних людей чутливість носа до одних і тих самих речовин різниться на порядки, тобто в різних людей неоднакові порогові концентрації, за яких вони починають відчувати речовини. Нюхові клітини - особливі нервові клітини, вони оновлюються кожні 40 днів протягом усього життя, і нові клітини можна тренувати, підвищуючи їхню чутливість до певних сполук.

Так, наприклад, починаючи проводити експерименти з тим же андростеноном, я не відчував його запаху. Але в результаті систематичної роботи не тільки став його сприймати, а й підвищив до нього свою чутливість на три порядки. Але тут немає нічого постійного. Якщо ми працюємо з якимись речовинами, то підтримуємо чутливість до них, а коли перестаємо з ними працювати, то чутливість знижується і для деяких речовин повністю зникає. Ба більше, з'ясувалося, що одна з моїх колег, яка має дуже гарний нюх, деякі речовини сприймає значно краще за мене, а з іншими речовинами справа йде навпаки. І коли ми готуємо суміші пахучих речовин у рівних кількісних співвідношеннях, то їхні запахи ми сприймаємо неоднаково. У всіх людей принципово різна настройка на запахи, співпадаючих немає. До речі, тому неможливо створити комбінацію пахучих речовин, запах яких абсолютно на всіх діяв би однаково. Ви уявляєте, як важко ставити експерименти в цій галузі!"

Чи відомо, які леткі речовини виділяє людина? Такі експерименти давно проводили, але вони здебільшого були закритими. У 1960-ті роки американські дослідники опублікували частину результатів - імовірно, йшлося про підводників, які тривалий час перебувають у замкненому просторі, потрібно було оцінити, як і від чого очищати атмосферу ізольованих просторів. Кількох людей, які перебувають на одній і тій самій дієті, в одних і тих самих умовах, на чотири години поміщали в скляну камеру, яка продувається повітрям, потім його концентрували та ідентифікували виділені випробовуваними леткі речовини. В експерименті брали участь тільки чоловіки - білі та негроїди. Вийшло, що найбільше (до 500 мг/год) ми виділяємо ацетону та ізопрену, а окрім них знайшли сотні речовин, відомих із підручника органічної хімії. От і розберися, які з них потенційні феромони і на що вони можуть впливати, особливо якщо врахувати, що частину речовин прилад через свою малу чутливість просто не вловив.

Схема організації нюхової системи людини

Між іншим, американські вчені намагалися визначити, яка речовина відповідальна за дещо інший, ніж у європеоїдів, солодкуватий запах людей негроїдної раси. Ні хроматографією, ні мас-спектрометрією різницю вловити не вдалося, хоча носом цю різницю легко сприймають представники як білої, так і чорної рас.

За що дають Нобелівську премію

Що ж відомо про молекулярні механізми впізнавання пахучих речовин нюховою системою ссавців? Це тема для великої окремої статті. У двох словах: сьогоднішні наші уявлення прийшли, схоже, в основному від молекулярних моделей механізмів зорової рецепції. Зараз прийнято вважати, що нюхова рецепція побудована на основі білка, подібного до родопсину, який вивчений дуже добре. Родопсин пронизує мембрану рецепторної клітини сім разів, деякі його частини знаходяться зовні цієї клітини, а інші - всередині.

У 1991 р. Р. Аксель і Л. Бак, майбутні лауреати Нобелівської премії 2004 р., яку їм присудили "за відкриття нюхових рецепторів та організацію нюхової системи", поставили собі питання: якщо всі нюхові клітини абсолютно однакові за будовою, як же вони розрізняють таку кількість запахів - десятки тисяч? Повинні ж бути у них відмінності на молекулярному рівні. Тоді стали шукати гени, що кодують білки - молекулярні рецептори нюхових клітин. Ці рецепторні білки повинні мати якусь амінокислотну послідовність, що входить всередину клітини, як у родопсину, а також інші ділянки, що виступають зовні мембрани. За логікою ці білки повинні бути присутніми саме в нюховому епітелії і не повинні зустрічатися в інших тканинах.

Дослідники знайшли в нюхових тканинах близько тисячі генів, які відповідають за тисячу нюхових рецепторів ссавців, що сприймають всю гаму пахучих речовин. Тепер стали зрозумілішими фізіологічні основи роботи нюхової системи.

Проте конкретні механізми - як ми розрізняємо пахучі речовини, як вони взаємодіють з білковими рецепторами і, головне, як передбачити запах за хімічною структурою речовини, - все це поки неясно. Напевно, після вирішення цих питань буде присуджено наступну Нобелівську премію.

Автор: Е.П. Зінкевич