Стереохимическая природа запаха. Продолжение.

Острый (едкий) и гнилостный запахи выпадают из схемы, предложенной Лукрецием. В этом случае ни форма, ни размеры молекул значения не имеют; решающую роль играет их электрический заряд. Острые, едкие запахи свойственны тем соединениям, молекулы которых из-за нехватки электронов имеют положительный заряд и сильное сродство к электронам. Они называются электрофильными. А гнилостные запахи вызываются молекулами, у которых существует избыток электронов. Они носят название нуклеофильных, так как сильно притягиваются ядрами соседних атомов. Любая теория верна лишь в том случае, если ее можно подтвердить экспериментально. Стереохимическая теория успешно выдержала шесть суровых экспериментальных проверок.

Как это легко видеть, если теория верна, то мы можем, исходя из формы молекулы, предсказать, каким запахом эта молекула обладает. Следовательно, чтобы проверить теорию, нужно синтезировать молекулы определенных форм, а затем посмотреть, будут ли они издавать предсказанные запахи.

Рассмотрим молекулу, состоящую из трех цепей, присоединенных к одному атому углерода, четвертая связь которого занята атомом водорода. Эта молекула может входить в рецепторный участок, имеющий форму воздушного змея (цветочный запах), в клиновидный участок (мятный запах) или же одной из цепей входить в палочкообразный участок (эфирный запах). Из теории следует, что такая молекула должна обладать фруктовым запахом, составленным из трех первичных запахов.

Теперь предположим, что мы присоединили к четвертой связи углеродного атома вместо атома водорода сравнительно громоздкую метильную группу. Появление четвертой ветви лишит молекулу возможности легко входить в рецепторные участки, соответствующие цветочному и мятному запахам, однако одна из ее ветвей по-прежнему сможет занимать палочкообразный участок. В результате, как это вытекает из теории, преобладающим должен быть эфирный запах.

Другой из авторов этой статьи (Рубин) синтезировал два таких соединения в своей лаборатории. Они были представлены на суд опытных дегустаторов запаха. В испытаниях был использован олфактомер, прибор, в котором с помощью клапанов и регулируемых воздушных потоков к дегустатору подавались точно измеренные концентрации запахов, смешанных или первичных. Количество пахнущего пара, поступающего к носу дегустатора, измерялось методом газовой хроматографии.

Результаты испытаний подтвердили правильность теоретического предвидения. Дегустационная комиссия сообщила, что соединение А обладает фруктовым (похожим на виноградный) запахом, а соединение В, в котором атом водорода был замещен метильной группой, имеет запах, напоминающий запах эфира.

Второе испытание напрашивалось само собой. Можно ли сложный запах, встречающийся в природе, воспроизвести, комбинируя соответствующим образом первичные запахи. Взяв для опытной проверки запах кедрового масла, Эмур установил, что формы молекул химических соединений, обладающих этим запахом, соответствуют рецепторным участкам камфароподобного, мускусного, цветочного и мятного запахов. Третий автор, Джонстон, занялся подбором различных комбинаций этих четырех первичных запахов, чтобы попытаться точно воспроизвести кедровый запах. Каждую смесь запахов он передавал восьми опытным дегустаторам, которые сравнивали синтетический запах с запахом кедрового масла. После 86 попыток Джонстону удалось составить композицию, которая очень близко походила на запах натурального кедра. Из тех же четырех первичных запахов ему удалось синтезировать очень близкое подобие запаха сандалового масла.

Следующие два испытания были связаны с опознанием чистых (то есть первичных) запахов. Если теория верна, то молекула, которая может входить в рецепторные участки только одного типа и ни в какие другие, должна обладать первичным запахом в чистом виде. Молекулы, одинаковые по форме и по размерам, должны обладать практически одинаковым запахом. А те молекулы, формы которых соответствуют разным рецепторным участкам, и пахнуть должны по-разному.

Дегустаторов знакомили с запахами двух различных веществ, молекулы которых, тем не менее, имели одинаковую форму (например, соответствующую рецепторному участку цветочного запаха). Дегустаторы делали вывод, что оба запаха очень похожи один на другой. Когда молекулы двух дегустируемых веществ имели формы, соответствующие различным типам рецепторных участков, дегустаторы указывали, что вещества обладают различными запахами.

Джонстон провел аналогичные эксперименты с пчелами. Он поставил опыт, целью которого была проверка их способности различать два запаха, один из которых был «правильным» (с ним была связана подкормка пчел сахарным сиропом), а другой – «неправильным» (с ним был связан «удар» электрическим током). Эта пара запахов могла относиться к одной первичной группе или к разным первичным группам (например, к цветочной и мятной).

Вначале на столике перед ульем ставились пары пузырьков с пахнущими веществами, и пчел приучали к тому, что из каждой пары запахов один — «правильный», а другой — «неправильный». После такого обучения можно было полагать, что пчелы будут стремиться к запаху, который для них связан с сиропом, и будут избегать запаха, связанного с воздействием электрического тока, конечно, при условии, что пчелы могут отличать один запах от другого.

Оказалось, что пчелам трудно было различать запахи, принадлежащие к одной и той же первичной группе (например, мятной), но они легко отличали различные первичные запахи (например, мятный и цветочный). В этом последнем случае они почти всегда выбирали «правильный» запах без колебаний.

Эти эксперименты показали, что у пчел обоняние в принципе такое же, как и у человека. Оно тоже основано на стереохимическом принципе, хотя органы обоняния у пчел устроены иначе. Пчела воспринимает запах не носом, а усиками (антеннами). По-видимому, рецепторные участки на антеннах дифференцируются по форме примерно так же, как и в носу человека.

Пятый опыт проводился с дегустаторами, имеющими опыт в распознавании запахов. Дегустаторам давали на исследование несколько веществ, совершенно непохожих друг на друга в химическом отношении, хотя их молекулы имели примерно одинаковую форму. Будут ли все эти вещества пахнуть одинаково? Для испытания было отобрано пять веществ. Они принадлежали к трем различным классам химических соединений, резко отличающихся друг от друга по внутренней структуре молекул. Но вместе с тем во всех пяти случаях молекулы веществ имели одну и ту же дискообразную форму, которая свойственна молекулам, обладающим мускусным запахом. Дегустаторы, которым давали нюхать пары этих пяти веществ в числе многих других, опознавали все пять веществ как вещества, обладающие мускусным запахом. Однако друг от друга эти запахи они отличить не могли.

Все эти свидетельства в пользу стереохимической теории были в той или иной мере косвенными. Нужно было получить прямое доказательство того, что в органе обоняния действительно существуют дифференцированные рецепторные участки. Такое доказательство недавно удалось найти Р. Гэетленду. Он разработал способ отводить электрические импульсы от отдельных клеток обонятельного нерва с помощью микроэлектродов. Введя электроды в обонятельный орган лягушки, Гэстленд действовал на него различными запахами и обследовал поочередно клетки обонятельного нерва, отвечают ли они электрическими импульсами. Оказалось, что различные клетки по-разному реагируют на различные запахи. Ученый установил, что у лягушки есть примерно восемь таких различных рецепторов: мало того, пять из них соответствуют пяти таким запахам (камфароподобный, мускусный, эфирный, гнилостный и острый), которые стереохимическая теория выделяет как первичные! Этот результат можно считать шестым и притом независимым от предыдущих подтверждением данной теории.

Располагая проверенной на опыте теорией, мы можем теперь надеяться на стремительный прогресс науки о запахе. Это может привести к неожиданным результатам. Для человека чувство обоняния играет, пожалуй, не столь важную роль, как для низших животных, но мы зависим от этого чувства гораздо больше, нежели думаем. Некоторое представление о значимости обоняния для человека можно получить, если вспомнить, какой безвкусной становится пища, когда нос заложило при насморке, или как неприятна нам дурно пахнущая питьевая вода. Управление запахами имеет важнейшее значение в парфюмерной и табачной промышленности. Несомненно, запах влияет на нашу жизнь многими неприметными путями, о которых мы не подозреваем.

Проведенные исследования, о которых мы рассказали, вероятно, позволят изучить в мельчайших деталях сложные запахи нашей пищи, создать новые ароматы и в конечном счете синтезировать любой запах, который мы захотим получить.

Авторы: Джон Эмур, Джеймс Джонстон, Мартин Бубер, перевод с английского.