Вместе с Бобом Холмсом, автором книги «Вкус. Наука о самом малоизученном чувстве», мы пытаемся выяснить, какое разнообразие процессов стоит за обычным кофейным запахом и сколько ароматов может на самом деле различать наш нос.
Восприятие вкуса помогает нам распознать хорошую еду и отличить ее от плохой (испорченной или ядовитой) — то есть принять довольно простое решение «да/нет». Наш язык использует от тридцати до сорока видов рецепторов, чтобы идентифицировать пять или чуть больше базовых вкусов. Вкусовые ощущения более «материальны» и проще поддаются изучению. С другой стороны, обоняние отвечает на вопрос «Что это такое?», который предполагает гораздо более широкий и неопределенный спектр ответов. В мире существует огромное количество запахов, и наши носы должны быть способны распознать их все.
Давайте представим, что мы вдыхаем запах утреннего кофе. Пар, поднимающийся из чашки, несет в себе сотни различных пахучих молекул, которые при вдохе проникают в наш нос. За восприятие запаха у человека отвечает небольшой участок в верхней части носовой полости, называемый обонятельным эпителием. На этом участке суммарной площадью меньше 10 квадратных сантиметров сосредоточено около шести миллионов нейросенсорных клеток, каждая из которых имеет на своей поверхности один из примерно четырех сотен различных обонятельных рецепторов. Эти обонятельные нейросенсорные клетки посылают сигналы прямо в головной мозг, что делает их единственным видом нервных клеток в нашем теле, которые напрямую соединяют мозг с внешним миром.
Кофе содержит не один вид одоранта, а сотни, и каждый звучит как уникальный аккорд в нашем головном мозге.
Каждый рецептор, в свою очередь, распознает конкретные пахучие вещества (одоранты). Удивительно, но ученые до сих пор не знают, как именно происходит эта идентификация. Большинство считают, что молекулы каждого пахучего вещества имеют особую форму или структуру, которая соответствует по форме «карману» на соответствующей рецепторной молекуле (помните сравнение с ключом и замком или фотоаппаратом и футляром?). Однако некоторые ученые предполагают, что каждое пахучее вещество имеет свой уникальный паттерн молекулярных вибраций, который распознается рецепторами посредством загадочного процесса, называемого квантовым туннелированием. Между сторонниками структурной и вибрационной теорий распознавания запахов бушуют жаркие споры, хотя, судя по последним данным, сторонники структурной теории побеждают.
В нашем случае, однако, не столь важно, как именно происходит эта идентификация. Важно то, что каждый обонятельный рецептор распознает несколько разных одорантов, а каждый одорант активирует несколько разных рецепторов. Это означает, что каждый одорант активирует определенную комбинацию рецепторов — воспроизводит свой уникальный аккорд на нашей обонятельной клавиатуре. Кофе содержит не один вид одоранта, а сотни, и каждый звучит как уникальный аккорд в нашем головном мозге. Некоторые из этих аккордов звучат так тихо, что мы не можем их «расслышать» (говоря научным языком, их концентрация ниже нашего порога обнаружения). Но остальные сотни одорантов, концентрация которых превышает наш порог обонятельной чувствительности, подобны целому оркестру, где каждый инструмент играет собственную музыку. И из этой какофонии наш мозг каким-то образом извлекает гармонию: чудесный аромат утреннего кофе.
Неудивительно, что обоняние так трудно исследовать. Здесь замешаны три уровня сложности: разнообразие одорантов, разнообразие рецепторов и разнообразие «гармонических комбинаций». Давайте рассмотрим каждый из них в отдельности, начав с самих запахов. Никто точно не знает, сколько разных запахов существует в мире. На протяжении многих десятилетий стандартным ответом на этот вопрос было «около 10 000». Эта цифра приводилась повсюду — от книг по кулинарии до учебников по нейробиологии и научных трудов. Даже Ричард Эксел и Линда Бак, получившие Нобелевскую премию за исследование обонятельных рецепторов и организации системы обоняния, указывали эту цифру в своей фундаментальной работе. Овеянная нобелевской славой, гипотеза о «10 000 запахов» приобрела статус почти догмы. И способствовала укоренению представления о человеческой некомпетентности в богатейшем мире запахов: согласитесь, на фоне нашей способности различать, по последним оценкам, около 7,5 млн цветов и 340 000 звуков наша способность идентифицировать всего 10000 запахов представляется довольно убогой.
Но более пристальный взгляд показывает, что цифра в 10 000 запахов буквально «взята из воздуха» и не имеет под собой никаких научных оснований. В далеком 1927 году двое химиков, Э.Ч. Крокер и Д.Ф. Хендерсон, решили, что все запахи, подобно вкусам, можно классифицировать на основе четырех независимых признаков. Если существуют четыре базовых вкуса — сладкий, кислый, соленый и горький (вкус умами в то время был еще неизвестен западной науке) — точно так же могут существовать и четыре базовых запаха: благоухающий, кислый, пригорелый и еще один, который они сначала назвали гнилостным, но позже переименовали в каприловый или козлиный. Далее они предположили, что каждый из этих четырех признаков может иметь свою интенсивность по шкале от 0 баллов (отсутствие) до 8 (доминирование). Это значит, что существует 9 × 9 × 9 × 9 разных способов описать запах, что в общей сложности дает нам число 6561, которое они щедро округлили до 10 000. И это взятое с потолка число стало научной догмой. Если бы Крокер и Хендерсон решили включить пятый запах — скажем, мускусный — и оценивать интенсивность по шкале от 0 до 9, мы бы сейчас мы говорили о 100 000 запахов.
Но чем дальше, тем интереснее. Джоэл Мейнланд, исследователь обоняния из Центра Монелла, решил, что может лучше справиться с этой задачей. Мейнланд — небольшого роста парень в очках, с живыми глазами, быстрой речью и страстной любовью к науке. Он начинал с изучения зрения, но вскоре понял, что в этой области трудно сделать научную карьеру. «Когда я посмотрел вокруг, то понял, что в исследованиях зрения уже достигнуты большие успехи, — говорит он. — Тогда как в исследованиях обоняния наука делает только первые шаги. Я решил выбрать неизведанный путь и переключился на обоняние». Это решение окупилось сторицей: Мейнланд стал одной из самых ярких восходящих звезд в науке об обонянии.
Недавно Мейнланд попытался найти более обоснованный способ определить, сколько разных запахов может существовать в мире. Его рассуждения выглядят так: чтобы мы почувствовали какой-либо запах, он должен быть летучим — то есть быть способным присутствовать в воздухе в газообразной форме. Большие молекулы, как правило, не способны на это; химики знают всего несколько пахучих веществ, молекулы которых содержат больше двадцати одного «тяжелого» атома, то есть с атомным весом больше, чем у водорода. Итак, давайте предположим, говорит Мейнланд, что пахучими свойствами могут обладать только вещества, чьи молекулы состоят из двадцати одного или меньшего количества тяжелых атомов. Что дает нам, по его подсчетам, около 2,7 триллиона кандидатов. Но не каждое из этих веществ с малыми молекулами обладает пахучими свойствами. Одни имеют настолько высокую точку кипения, что никогда не переходят в газообразное состояние при нормальных температурах; другие являются настолько «жирными», что отталкиваются водянистой слизистой оболочкой, выстилающей нос, поэтому не могут активировать обонятельные рецепторы. Перепробовав различные подходы, Мейнланд и его коллеги в итоге придумали способ, как на основе точки кипения и «жирности» предсказать, обладает данное соединение запахом или нет.
Несколько разных веществ обладают практически одинаковым сладким вкусом, и могут существовать сотни разных соединений, создающих один горький вкус.
И вот я переступаю порог лаборатории в Центре Монелла, чтобы помочь Мейнланду протестировать некоторые из его предсказаний. Оказывается, нельзя просто так дать человеку образец и спросить: «Вы чувствуете запах?» Сила внушения такова, что люди часто «чувствуют» запах, которого не существует, или улавливают какой-нибудь посторонний запах, присутствующий в помещении. Поэтому исследователи используют так называемый метод сравнения трех объектов. Ассистент Мейнланда усаживает меня за стол, завязывает глаза и проносит у моего носа одну за другой три пробирки; при этом синтезированный компьютерный голос задает мне вопрос, в которой из них — А, B или C — присутствует запах. После каждого такого раунда следует 30-секундная «отвлекающая пауза», чтобы нос получал передышку: компьютер проигрывает мне короткий отрывок из песни и спрашивает, кто ее исполняет — мужчина или женщина. (Мейнланд специально выбрал такие композиции, где трудно отличить мужской голос от женского. Учитывая мой возраст, я легко отличу Тину Тернер от Майкла Джексона, но многие современные исполнители ставят меня в тупик.)
Такие тесты, проведенные на множестве людей, позволяют Мейнланду с уверенностью утверждать, что большинство людей с трудом различают пол современных исполнителей. А также показывают, что его предсказания о наличии или отсутствии у вещества запаха оказываются правильными примерно в 72 процентах случаев. Если применить этот метод прогнозирования запаха к 2,7 триллиона веществ- кандидатов, то мы получим, что в мире существует ошеломительные 27 миллиардов различных пахучих веществ. Между тем это необязательно означает, что в мире существует 27 миллиардов разных запахов. Например, как мы знаем, несколько разных веществ обладают практически одинаковым сладким вкусом, и могут существовать сотни разных соединений, создающих один горький вкус. Если среди запахов также есть «близнецы», то количество уникальных запахов в нашем мире может быть намного меньше 27 миллиардов. Тем не менее, когда я попросил Мейнланда привести пример двух веществ с одинаковым запахом, он не смог этого сделать. «Кажется, двух веществ с одинаковыми запахами попросту не существует», — говорит он.
Итак, более-менее разобравшись с запахами, давайте перейдем к другой части уравнения и посмотрим на рецепторы, отвечающие за восприятие всего этого головокружительного разнообразия пахучих веществ. Бак и Эксел установили, что обонятельные рецепторы представляют собой молекулы белка, встроенные в мембраны нервных клеток в обонятельном эпителии, и описали гены, кодирующие эти белки. Таким образом, когда спустя несколько лет после исследований Бак и Эксела генетики впервые расшифровали человеческий геном, они уже знали, как выглядят гены обонятельных рецепторов. К своему изумлению, они обнаружили не несколько десятков таких генов, а почти тысячу! Только задумайтесь: геном человека содержит всего около 20000 генов, которые кодируют все генетические инструкции, необходимые для превращения оплодотворенной яйцеклетки в функционирующее высокоорганизованное человеческое существо со всеми его тканями и системами органов, включая головной мозг, со всеми молекулярными сигналами, обеспечивающими работу этого сложнейшего организма, и при этом каждый двадцатый ген кодирует рецептор запаха! Это все равно что прийти в библиотеку, содержащую все накопленные знания о нашем мире, и обнаружить, что каждая двадцатая книга посвящена ремонту автомобилей. Кто бы мог подумать, что обоняние составляет настолько значимую часть того, что мы есть?
85% рецепторов в анализируемой нами системе не работают
При ближайшем рассмотрении больше половины этих генов обонятельных рецепторов оказались тем, что генетики называют псевдогенами — то есть нефункциональными остатками генов, утратившими способность к экспрессии на каком-то этапе нашей эволюции. Однако установить, сколько именно обонятельных генов остаются функциональными у современных людей, не удается. В геноме человека — том самом, который был расшифрован командой легендарного предпринимателя Крейга Вентера — обнаружено около 350 рабочих генов, кодирующих обонятельные рецепторы. Но если секвенировать любой другой геном, скажем ваш, то можно обнаружить, что некоторые из этих 350 генов в вашей версии генома выведены из строя мутациями, в то время как некоторые из тех, которые в официальной версии генома оказались нерабочими, у вас нормально экспрессированы. Одна команда исследователей изучила выборку из тысячи человеческих геномов и обнаружила 413 генов обонятельных рецепторов, являющихся функциональными не менее чем у 5 процентов населения. Если бы исследователи изучили больше геномов, они бы, несомненно, обнаружили еще больше таких генов.
Но одно дело — считать гены, и совсем другое — понять, как рецепторные молекулы распознают различные запахи. Это гораздо сложнее, не в последнюю очередь потому, что обонятельные рецепторы расположены на поверхности нервных клеток, которые крайне трудно вырастить в лабораторных условиях в чашке Петри. Это значительно осложняет проведение экспериментов. В результате подавляющее большинство обонятельных рецепторов относятся к разряду «орфанных рецепторов», или «рецепторов-сирот», названных так учеными — в редком приступе красноречия — потому, что науке пока неизвестно, какие именно пахучие вещества они распознают.
К счастью, молекулярные биологи нашли способ решить проблему — а именно поместить обонятельные рецепторы на поверхность культуры клеток почки, которую намного проще выращивать в искусственных условиях. Несколько лет назад, пролив немало пота, Мейнланд и другие исследователи создали панель линий клеток почки, экспрессирующих весь спектр человеческих обонятельных рецепторов, по одному рецептору на каждую линию клеток. Получив в свое распоряжение такую панель, исследователи наперегонки бросились тестировать пахучие вещества, воздействуя на панель одним из одорантов и глядя, какие из рецепторов срабатывают в ответ. В скором времени, думали они, большая часть обонятельных рецепторов будет избавлена от «сиротского» статуса. Обонятельный код наконец-то будет взломан! Как бы не так. На сегодняшний день Мейнланду и другим исследователям удалось обнаружить так называемые лиганды всего для 50 обонятельных рецепторов человека. Несмотря на все старания исследователей, остальные 350 с лишком рецепторов по-прежнему остаются «сиротами». «Это означает, что почти 85 процентов рецепторов в анализируемой нами системе не работают, — говорит Мейнланд. — Это очень много». Такие неутешительные результаты могут объясняться разными причинами. Во-первых, вполне может быть, что Мейнланд и его коллеги пока просто не нашли те пахучие вещества, для восприятия которых предназначены эти рецепторы; однако чем больше вариантов они тестируют, тем менее вероятным кажется такое объяснение. Во-вторых, могут существовать неизвестные исследователям факторы, препятствующие нормальной работе рецепторов в клетках почки.
Но есть и еще одно, гораздо более интересное объяснение: некоторые наши обонятельные рецепторы могут вообще не распознавать запахи. Если сделать шаг назад и взглянуть на общую картину, то становится очевидно, что в действительности главная задача наших обонятельных рецепторов — предупреждать организм о присутствии конкретных небольших молекул в окружающей среде. Некоторые из этих молекул являются носителями запахов, но данная система распознавания может выполнять и другие функции. Нашему организму необходимо распознавать гормоны и другие сигнальные молекулы, которые помогают нашему телу правильно расти и развиваться; ему нужно своевременно активизировать и отключать различные функции, такие как пищеварение, репродукция и иммунная защита, и многое другое. Поскольку эволюция во многом подобна секретному агенту Макгвайеру [Ангус Макгвайер — герой одноименного американского сериала, который выполняет сверхсложные оперативные задания, используя свою гениальную смекалку и любые подручные средства. — Прим. пер.], предпочитая не изобретать что-то новое, а задействовать то, что уже есть под рукой, было бы удивительно, если бы хотя бы некоторые из обонятельных рецепторов не были приспособлены для выполнения и других функций тоже.
На самом деле биологи находят эти рецепторы буквально повсюду: в яичках, простате, молочных железах, плаценте, мышцах, почках, кишечнике, головном мозге и во многих других местах. Какие-то из них, разумеется, находятся в носу, ну а другие нет. Но даже детальное исследование обонятельных рецепторов не расскажет нам всей истории о нашем обонянии, поскольку мы воспринимаем запахи иначе, чем вкус. Наша вкусовая сенсорная система работает аналитически — другими словами, мы относительно легко можем разделить свои вкусовые ощущения на отдельные составляющие. У свинины чуть сладкий и кислый вкус; у соевого соуса — соленый и вкус умами; кетчуп сочетает в себе сладкий, кислый и соленый вкусы и вкус умами.
Наш мозг сливает отдельные компоненты в некое целое, которое мы практически не в состоянии разделить на части.
Наше обоняние работает совсем не так. Восприятие запаха носит синтетический характер — наш мозг сливает отдельные компоненты в некое целое, которое мы практически не в состоянии разделить на части. Чтобы понять, как это работает, сравните это с еще одной синтетической сенсорной системой — нашим зрением. Когда я смотрю на свою жену, я не вижу линий, изгибов, углов и т. д., которые в действительности видит мой мозг. Я вижу ее лицо — синтетический объект моего восприятия. Аналогичным образом информация об отдельных пахучих веществах, обнаруживаемых нашим носом, синтезируется в нашем мозге в единое целое, и это целое — синтетический объект восприятия — может радикально отличаться от его компонентов. Например, если скомбинировать в правильной пропорции этиловый изобутират (фруктовый запах), этиловый мальтол (карамельный) и аллил альфа-ионон (фиалко- вый), то вы получите не запах карамелизированных фруктов на фиалковой подложке, а запах ананаса! Аналогичным образом смесь 1,5-октадиена-3-он (с гераниевым запахом) и метионала (с запахом жареной картошки) в соотношении один к ста пахнет рыбой — хотя ни один из ингредиентов не содержит даже намека на этот запах.
Нейробиологи предпочитают называть такие продукты комплексного восприятия более высокого уровня «обонятельные объекты» (odor objects). Каждый из этих обонятельных объектов имеет собственный уникальный паттерн активации, затрагивающий определенную подгруппу из примерно четырехсот обонятельных рецепторов в нашем носу. По сути, именно эти обонятельные объекты определяют реальность наших обонятельных миров — аналогично тому, как визуальный объект в виде лица моей жены кажется мне более реальным, чем образующие его прямые и кривые линии.
И подобно тому, как мы можем воспринять практически бесконечное множество человеческих лиц с помощью небольшого набора прямых и кривых линий, наши четыреста обонятельных рецепторов способны воспринять ошеломительное количество различных обонятельных объектов. Несколько лет назад было проведено исследование: ученые давали людям понюхать смеси, содержавшие от десяти до тридцати различных пахучих веществ, и оценивали их способность отличить эти смеси друг от друга. Исходя из этих результатов, исследователи подсчитали, что человек должен уметь различать не менее одного триллиона обонятельных объектов — согласитесь, большой шаг вперед по сравнению с общепринятой цифрой «10 000 запахов». (Для сравнения, специалисты по сенсорным системам утверждают, что наши глаза способны воспринимать несколько миллионов цветов, а наши уши — почти полмиллиона звуков.) Впоследствии другие исследователи отметили, что к цифре «один триллион» также следует относиться с осторожностью, поскольку она основана на ряде сомнительных предположений. Тем не менее общий посыл — что вселенная запахов поистине огромна — остается справедливым.