Страница на русском языке | Сторінка українською мовою

Запах - это не просто приятное или неприятное ощущение. Для многих животных он является основным средством общения и выживания. Собаки, например, могут по запаху определить настроение человека, а крысы способны опознавать своих сородичей по индивидуальному аромату.

Запахи могут вызывать у нас эмоции, воспоминания и даже влиять на наше поведение. Но как именно работает наша обонятельная система? Какие участки мозга отвечают за обработку запаховой информации?

В этой статье мы расскажем о том, как животные используют обоняние для общения и ориентации в пространстве, а также о том, что мы знаем о человеческих феромонах.

Если со зрением ученые разобрались довольно давно и подробно, то с восприятием запахов (химической коммуникацией), видимо, все еще впереди. Несколько лет назад за исследования механизмов обоняния присудили Нобелевскую премию, и, тем не менее, остается еще много нерешенных вопросов. До сих пор не выяснены химические формулы веществ, которые служат обонятельными сигналами у млекопитающих (расшифрованы лишь некоторые из этих веществ), а также не ясен точный механизм их распознавания и то, как они влияют на поведение.

А по-простому, по обывательски: никто не может точно объяснить, как собака узнает людей по их запаху (ведь мы, очевидно, все пахнем по-разному, но сами этого не чувствуем), какие новые послания она вынюхивает каждый раз во дворе, как волк узнает свою волчицу (ведь не по прическе и фигуре, а именно по запаху), какие пахучие вещества вызывают стресс, агрессию, сексуальное преследование...

Очень многое в мире животных и человеческом обществе построено на запахах. Хотя спекуляций на эту тему более чем достаточно, исследователи в этой сложной проблеме только начали разбираться.

Чем и как мы нюхаем

Древние греки считали, что в носу существует прямая щель в мозг, поэтому, когда человек втягивает в себя воздух, вместе с ним пахучие частицы попадают прямо туда, где он и различает запах. Это утверждение не так уж ошибочно. Запах - ощущение, возникающее у человека при вдохе и попадании летучих веществ на специализированные обонятельные клетки. У людей их 10^7, у многих млекопитающих животных - на порядок больше. Эти клетки расположены на уровне глаз в носу и как бы висят "вниз головой", точнее - вниз торчат их отростки, на которых находятся молекулярные рецепторы. После их взаимодействия с пахучими веществами открываются ионные каналы, и возникает электрический импульс, попадающий в обонятельный мозг. Только обонятельные клетки, непосредственно контактирующие с внешней средой, обходятся без посредников, любые другие клетки органов чувств (например, сетчатки глаза) доносят информацию до мозга через вторичные рецепторы. Помимо обонятельных клеток, в восприятии некоторых химических веществ участвуют так называемые вомероназальные (дополнительные обонятельные клетки) и вкусовые клетки, а так же свободные окончания обычных нервных клеток.

Вокруг нас пахнет практически все, при этом человеческий нос, в отличие от собачьего, что-то может уловить и оценить, а что-то нет. Чтобы оценить разницу между обонянием собаки и человека, достаточно сравнить площадь клеточных отростков, на которых расположены молекулярные рецепторы (вероятно, мембранные белки), непосредственно взаимодействующие с пахучими веществами. У человека эта поверхность занимает около 25 см2, а у собаки - примерно 6 м2. Мы воспринимаем, к примеру, запах грязного или чистого тела, аромат духов или цветов, но обычно не различаем генетически обусловленный индивидуальный запах человека. (Правда, у человека есть один из ярких источников индивидуального запаха - темечко, и матери легко по его запаху отличают своих детей.) Собаки же по запаху идентифицируют не только своих собратьев, но и нас, людей.

Строго говоря, физиологически мы воспринимаем с помощью обонятельной системы изменение состава паров летучих веществ в воздухе. При неизменном составе паров наступает адаптация и исчезает восприятие запаха, поэтому если зайти в сильно пахнущее помещение и провести там пять-шесть минут, то покажется, что запах пропал. Чтобы вновь его почувствовать, нужно открыть дверь или форточку и изменить состав воздуха, который мы вдыхаем.

Сложный объект

Но что такое запах с точки зрения химика, какие вещества пахнут? Далеко не все - из 10 млн. известных органических веществ таких только 10%. Очень долго химики пытались найти зависимость между строением химического вещества и его запахом. Результаты не блестящие. Известно, что если молекулярная масса вещества больше 400, то оно не пахнет, поскольку просто не дает пары в нужных количествах. А вот какие из оставшихся пахнут, сказать довольно трудно. Да и с парами в нужных количествах тоже однозначного ответа нет - предсказать минимальную дозу веществ, при которой ощущается запах (обонятельные пороги), на основании их химической структуры не удается. Оказалось, что эти самые пороги очень разные. Одни вещества возбуждают обонятельные рецепторы в количестве 10^-3 г, другие мы чувствуем, когда их в воздухе всего несколько фемтограммов (10^-15 г), т.е. диапазон - 12 порядков! Правда, веществ, запах которых человеческий нос в состоянии уловить, существует не более сотни, в больших же дозах эти и другие вещества могут одновременно возбуждать многие специфические рецепторы, вызывая еще и суммарные запахи.

Проблема в этой области науки отчасти заключается в том, что даже человеческий нос (не говоря уж о собачьем) гораздо чувствительнее приборов. Хроматографы и массспектрометры работают, как правило, до концентраций 10^-9 г (нанограммы), а носом мы, как уже сказано, чувствуем и пикограммы (10^-12 г), и даже фемтограммы. Поэтому когда исследователи анализируют запахи физико-химическими методами и пытаются определить вещества, передающее какую-то информацию, ответ на поставленный вопрос не всегда удается получить. В отечественной парфюмерии был забавный случай: изменили методику очистки одного из компонентов духов, после чего его хроматограмма стала идеальной (один пик, без всяких примесей), но зато для парфюмера это вещество стало припахивать гарью. Значит, в нем были примеси, которые улавливал нос, но не мог различить хроматограф. И ничего сделать было невозможно, поскольку доступные инструментальные методы утверждали, что вещество чистое, а для носа оно было грязным!

Несомненно, чистота пахучего вещества - вещь тонкая. За много лет работы с такими сложными субстанциями мы выработали такой подход: чистить их очень осторожно, чтобы не только не потерять ни одну из фракций, но и не изменить соотношение между компонентами! Разделяя такие вещества, мы пронюхиваем каждую фракцию и даже нулевую линию или делаем ряд биотестов, и часто оказывается, что основное вещество не пахнет ни чем, а запах дает примесь, которой меньше 0,001%. Вот почему при работе с пахучими веществами уместно говорить не о химической, а о "парфюмерной", или "обонятельной", чистоте препарата.

Кроме того, что нос к некоторым веществам гораздо чувствительнее приборов, он еще и анализирует смеси пахучих веществ не так, как физ-химики, поскольку производит интегральный анализ, а не по отдельным компонентам. Исследователи с помощью хроматографов разделяют смесь летучих веществ на отдельные компоненты, выделяют и затем характеризуют последовательно каждое вещество. Нос, в котором, как мы уже знаем, находится 107- 108 клеток и, как считается, около тысячи молекулярных рецепторов, делает мгновенный параллельный анализ всех веществ, т.е. получает сразу некий "обонятельный образ". Это принципиальное отличие: носом мы интегрируем смеси, т.е. мгновенно получаем интегральный анализ, а физико-химический анализ дифференцирует, т.е. просто разбирает смесь на отдельные компоненты.

Это сладкое слово "феромон"

Термин "феромоны" появился в начале 1960-х годов, когда исследователи выяснили, почему самка тутового шелкопряда привлекает самцов на больших расстояниях. Когда в конце 50-х годов А. Бутенандт, к тому времени уже получивший Нобелевскую премию за открытие и установление структуры женских половых гормонов, занялся при влечением самцов тутового шелкопряда к самкам с больших расстояний, большинству исследователей казалось, что здесь дело в волновых эффектах, а не в химии. Если работа с женскими половыми гормонами потребовала 18 тыс. л мочи кобыл, откуда было выделено несколько миллиграммов нужного вещества, то через тридцать лет на алтарь науки легли почти полмиллиона девственных самок шелкопряда. Получив 4 мг вещества, без всякой хроматографии и масс-спектрометрии Бутенандт сумел доказать, что именно оно привлекает самцов. Причем одна самка выделяет это вещество в таких малых количествах, что мы и современными методами не сможем его замерить, - миллионные доли микрограмма. Феромонами стали называть вещества, выделяемые насекомыми и влияющие на поведение особей противоположного пола того же вида, в частности на размножение. Конечно, когда исследователи перешли к работе с млекопитающими, все оказалось намного сложнее.

У всех млекопитающих, включая человека, на поверхности тела есть кожные железы, которые выделяют присущий только этой особи запах (включающий те самые феромоны), и логично предположить, что он может быть сигналом для остальных индивидуумов и влиять на их поведение. Смысл жизни и основная задача млекопитающих - сохранение генетической информации во времени, т.е. продолжение рода. Но ведь по каким-то признакам надо уметь отличать животное, с которым можно спариваться. Обонятельные сигналы очень легко позволяют это делать.

Тела млекопитающих выделяют тысячи летучих веществ, часть из которых несет информацию о виде, поле, индивидуальных качествах и физиологическом состоянии особи. Их настолько много и выделяются они в таких небольших количествах, что установить, есть ли среди них какое-нибудь одно главное, ответственное за физиологический или поведенческий эффект, практически невозможно. Запах каждого млекопитающего - это образ, т.е. неповторимая смесь и комбинация пахучих веществ. Я думаю, что и феромоны млекопитающих - это тоже сложная смесь, поскольку даже у примитивного тутового шелкопряда сначала выделили главный компонент (бомбикол), отвечающий за привлечение самцов, а уже потом обнаружили другие, не менее важные вспомогательные компоненты.

Все феромоны млекопитающих делят на два большие класса: релизеры и праймеры. Первые вызывают мгновенное изменение поведения: агрессию, половое поведение, избегание, испуг и т.п. Вторые влияют на эндокринную систему и в результате через какое-то время меняют физиологическое со стояние организма. Приведу только несколько примеров из жизни братьев наших меньших.

Ученые провели довольно много интересных экспериментов с дикими серыми крысами, пасюками. Например, мы решили, что они не хуже собак могут запоминать индивидуальный запах людей и легко их различать (ведь они такие умные!). Действительно, оказалось, что крысы легко, с первого раза запоминают личный запах человека, помнят его не менее месяца и, что самое интересное, знают, какого он пола. Последнее было понят но, поскольку все крысы (и самцы, и самки) достоверно дольше исследуют запах самцов любых видов млекопитающих, в том числе и человека. А еще у крыс, а также у домовых мышей были найдены просто фантастические эффекты. Очень хотелось бы знать, воспроизведутся ли на многих других млекопитающих.

Если запустить в клетку самца, то у самок крыс синхронизируются поло вые циклы. Также запах взрослого самца ускоряет половое созревание самок и тормозит половое созревание самцов. Еще один эффект, с которым мы то же работали на домовых мышах в нашей лаборатории, это так называемый Брюс-эффект (по фамилии открывшей его англичанки). Если самка оплодотворена самцом и продолжает сидеть с ним в одной клетке, то она благополучно родит, а если подсадить ее к чужому самцу или поместить в клетку с запахом чужого самца, то беременность блокируется (зародыш не прикрепляется к стенке матки). Многие исследователи пытались идентифицировать вещества, которые влияют на этот эффект, но никому, включая и нас, до сих пор это так и не удалось.

Нам удалось поставить новый интересный эксперимент, но он отвечал скорее на биологический, а не химический вопрос. Мы подумали: "А сама-то крыса хочет родить?" Если после оплодотворения самка будет сидеть в атмосфере своего самца - она родит, а в атмосфере чужака - нет. Оплодотворенной самке был предоставлен самостоятельный выбор клетки с запахом своего или чужого самца. Оказалось, что при свободном выборе около половины самок "не хотели" рожать, т.е. выбирали клетку с запахом чужого самца.

Одно из наших исследований на серых крысах закончилась вполне практическим результатом. Мы обратили внимание, что предметы, меченные своими сородичами, крысы исследуют гораздо дольше и подробнее, чем предметы с запахом других видов животных. Понятно, кто будет дольше читать текст на непонятном китайском языке, если рядом есть текст на род ном? Мы выделили из мочи крыс три группы химических веществ: нейтральные, кислоты и основания (амины). Ни на одну из них в отдельности крысы не реагировали так, как мы ожидали, т.е. не исследовали достоверно дольше, чем мочу домовой мыши. Тогда мы стали смешивать эти группы попарно. Как ни удивительно, именно сочетание оснований с кислотами, которые, казалось бы, должны давать мало летучие соли, и вызвали пристальный крысиный интерес. В результате мы запатентовали препарат - синтетический алифатический амин, нейтрализованный низшими жирными кислотами, который надо наносить рядом с пищевой приманкой в крысоловках. На такую приманку попадается на 20% больше крыс (что много для этих умных животных), а главное, ловится самая осторожная категория - крысы-лидеры (крупные самцы) и беременные самки.

Приворотное зелье

Наверное, всем хочется знать - а у человека-то, наконец, нашли эти самые, присущие только нашему виду вещества, которые привлекают противоположный пол и обеспечивают продолжение вида? Нет, не нашли, хотя я уверен, что они есть. Андростенон (для химиков это 5-α-андрост-1-6ен-3-он, вещество, близкое по химическому строению к тестостерону - одному из мужских половых гормонов), который добавляют в духи, никак нельзя назвать "человеческим аттрактантом". Это вещество, которым пахнут хряки и многие мужчины, безусловно, можно считать визитной карточкой мужского пола, поскольку женщины нас по нему и отличают (если не намазаться до неузнаваемости дезодорантом).

А вот у женщин так и не нашли подобного химического вещества, присущего только прекрасному полу. То, понюхав которое, с уверенностью можно сказать, что так пахнет дама. У животных нашли: у выхухоли - соотношение некоторых алифатических н-пропилкетонов секретов хвостовой железы, которое позволяет отличать самцов от самок (данные хроматомасс-спектрометрического анализа); у золотистого хомячка - летучие органические соединения двухвалентной серы и некоторые другие. По логике должны найти и у женщин. Были публикации о том, что в вагинальных выделениях обезьян найдены низшие жирные кислоты, выполняющие функции половых феромонов самок (те же кислоты были найдены в выделениях женщин), но потом эти данные не подтвердились. В настоящее время мы все еще не знаем, какую специфическую смесь химических веществ выделяют женщины, которая может так влиять на мужчин, как андростенон на женщин.

С андростеноном же не все складно. Странность заключается в том, что его "унюхивают" только женщины (мужчины его, как правило, не чувствуют), и их общая реакция даже на исчезающие его количества, как правило, настолько отрицательная, что с вами потом могут и не поздороваться. Женщинам это вещество не нравится, хотя они осознают, что это запах мужчины, и, казалось бы, он не должен быть отталкивающим.

Неизвестно, нравится ли он самкам свиней (хряки его выделяют в изрядном количестве), но действует он на них безотказно. Если самкам давать нюхать андростенон, то проблем с искусственным оплодотворением не будет. Дело в том, что когда группа свиней, у которых совсем разные циклы, ждет осеменения, т.е. подходящего момента цикла, то процесс растягивается на месяц и больше. Запах андростенона у всей группы синхронизирует цикл, и все происходит быстренько за десять дней. Но он же вызывает характерную позу неподвижности у свиньи в нужной фазе полового цикла. Если вспомнить нашу классификацию феромонов, то понятно, что андростенон - и релизер, и праймер, поскольку дает мгновенные внешние наблюдаемые изменения поведения, а через какое-то время - физиологического (эндокринного) состояния.

Эксперименты с андростеноном мы ставили и на людях. Он хоть и не работает как мужское приворотное зелье (что бы ни утверждала реклама), но у нас получилось, что одной его понюшкой можно влиять и на длительность женского полового цикла. Если это фолликулярная фаза (когда созревает яйцеклетка), то цикл укорачивается на пару дней, а если лютеальная фаза, когда яйцеклетка отмирает, то цикл удлиняется. Подобные исследования проводили американские специалисты, делая женщинам-добровольцам гормональные тесты во время всего полового цикла, но не довели их до логического конца. На людях эти тесты дорого стоят, и к женщинам в таком эксперименте предъявляются особые требования, которые в Америке нелегко вы полнить.

Есть еще одна странность с андростеноном: некоторые женщины, как и многие мужчины, его запах не чувствуют, и андростенон на них никак не влияет. Зачем-то природа устроила так, что женщины, которые воспринимают запах этого вещества как неприятный, под его влиянием меняют свое физиологическое состояние, а остальные защищены от последствий андростеноновой атаки.

Что может нос

Вернемся к человеческому носу. Это еще одна сложность в продвижении на уки о запахах, поскольку на нем очень трудно ставить эксперименты. Начнем с того, что у разных людей чувствительность носа к одним и тем же веществам различается на порядки, т.е. у разных людей неодинаковы пороговые концентрации, при которых они начинают ощущать вещества. Обонятельные клетки - особые нервные клетки, они обновляются каждые 40 дней в течение всей жизни, и новые клетки можно тренировать, повышая их чувствительность к определенным соединениям.

Так, например, начиная проводить эксперименты с тем же андростеноном, я не чувствовал его запах. Но в результате систематической работы не только стал его воспринимать, но и повысил к нему свою чувствительность на три порядка. Но здесь нет ничего постоянного. Если мы работаем с какими-то веществами, то поддерживаем чувствительность к ним, а когда перестаем с ними работать, то чувствительность снижается и для некоторых веществ полностью пропадает. Более того, выяснилось, что одна из моих кол лег, у которой очень хорошее обоняние, некоторые вещества воспринимает значительно лучше меня, а с другими веществами дело обстоит наоборот. И когда мы готовим смеси пахучих веществ в равных количественных соотношениях, то их запахи мы воспринимаем неодинаково. У всех людей принципиально разная настройка на запахи, совпадающих нет. Кстати, поэтому невозможно создать комбинацию пахучих веществ, запах которых абсолютно на всех действовал бы одинаково. Вы представляете, как трудно ставить эксперименты в этой области!?

Известно ли, какие летучие вещества выделяет человек? Такие эксперименты давно проводили, но они по большей части были закрытыми. В 1960е годы американские исследователи опубликовали часть результатов - речь, вероятно, шла о подводниках, которые долгое время находятся в замкнутом пространстве, нужно было оценить, как и от чего очищать атмосферу изолированных пространств. Нескольких людей, находящихся на одной и той же диете, в одних и тех же условиях, на четыре часа помещали в стеклянную камеру, продуваемую воздухом, потом его концентрировали и идентифицировали выделенные испытуемыми летучие вещества. В эксперименте участвовали только мужчины - белые и негроиды. Получилось, что больше всего (до 500 мг/ч) мы выделяем ацетона и изопрена, а кроме них нашли сотни веществ, известных из учебника органической химии. Вот и разберись, какие из них потенциальные феромоны и на что они могут влиять, особенно если учесть, что часть веществ прибор по причине своей малой чувствительности просто не уловил.

Схема организации обонятельной системы человека

Между прочим, американские ученые пытались определить, какое вещество ответственно за несколько другой, чем у европеоидов, сладковатый запах людей негроидной расы. Ни хроматографией, ни масс-спектрометрией разницу уловить не удалось, хотя носом эту разницу легко воспринимают представители как белой, так и черной рас.

За что дают Нобелевскую премию

Что же известно о молекулярных механизмах узнавания пахучих веществ обонятельной системой млекопитающих? Это тема для большой отдельной статьи. В двух словах: сегодняшние наши представления пришли, похоже, в основном от молекулярных моделей механизмов зрительной рецепции. Сейчас принято считать, что обонятельная рецепция построена на основе белка, подобного родопсину, который изучен очень хорошо. Родопсин пронизывает мембрану рецепторной клетки семь раз, некоторые его части находятся снаружи этой клетки, а другие - внутри.

В 1991 г. Р. Аксель и Л. Бак, будущие лауреаты Нобелевской премии 2004 г., которую им присудили "за открытие обонятельных рецепторов и организации обонятельной системы", задались вопросом: если все обонятельные клетки совершенно одинаковы по строению, как же они различают такое количество запахов - десятки тысяч? Должны же быть у них отличия на молекулярном уровне. Тогда стали искать гены, кодирующие белки - молекулярные рецепторы обонятельных клеток. Эти рецепторные белки должны иметь некую аминокислотную последовательность, входящую внутрь клетки, как у родопсина, а также другие участки, выступающие снаружи мембраны. По логике эти белки должны присутствовать именно в обонятельном эпителии и не должны встречаться в других тканях.

Исследователи нашли в обонятельных тканях около тысячи генов, которые отвечают за тысячу обонятельных рецепторов млекопитающих, воспринимающих всю гамму пахучих веществ. Теперь стали понятнее физиологические основы работы обонятельной системы.

Однако конкретные механизмы - как мы различаем пахучие вещества, как они взаимодействуют с белковыми рецепторами и, главное, как предсказать запах по химической структуре вещества, - все это пока неясно. Наверное, после решения этих вопросов будет присуждена следующая Нобелевская премия.

Автор: Э.П. Зинкевич