Энн-Софи Барвич
Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Ольфактометр

Геннинг выделил шесть первичных запахов в качестве основных категорий, для определения силы запаха сравнивая его с цветом, звуком и вкусом. Геннинга вдохновила система упорядочивания цветов, разработанная Альбертом Манселлом в первом десятилетии XX века. Она же послужила прототипом для моделирования трех аспектов запаха: общего типа, интенсивности и чистоты (простоты). Однако смешивание запахов не соответствовало правилам смешивания первичных цветов (как получение зеленого цвета из синего и желтого). Геннинг использовал аналогию со звуком, сравнивая сочетания запахов с «тональным слиянием» в аккордах. Для объединения этих аналогий Геннинг предположил, что обонятельное пространство напоминает вкусовое (Рис. 1.3, внизу). В частности, запахи могут иметь «переходный характер» (между соответствующими категориями), как и вкусы, такими как соленый и сладкий, соленый и острый, соленый и горький. На этой идее построена призма шести первичных запахов: цветочного, фруктового, гнилостного, пряного, горелого и смолянистого (Рис. 1.3, вверху).

Программа Геннинга отличалась тем, что отвергала традиционную линейную классификацию и вместо нее предлагала трехмерное представление свойств запаха. Но несмотря на популярность концепции призмы, ее излишняя замысловатость вызывала в основном критику. Гэмбл сухо отметила, что идея Геннинга страдает от одного неоспоримого дефекта: «Ее четкость играет против нее»^[66]. Идея была слишком проста; призма не соответствовала сложности смесей.

Вероятно, именно благодаря своей простоте призма Геннинга взлетела, как ракета. Её переняли последующие исследования и классификации запахов, в частности, классификация Крокера и Гендерсона 1927 года, в которой шесть основных запахов были сведены к четырем: ароматный, кислый, горелый и каприловый (фруктовые кислоты)^[67]. Затем Ральф Бьенфанг использовал аналогии между разными чувствами как методологический инструмент. Наиболее популярными были сравнения с системой цветов Манселла, и в труде Бьенфанга «Размерность характеристик запахов», опубликованном в 1941 году, обсуждались три размерности цвета и запаха с перечислением тона (оттенок/свойство), шкалы чистоты (показатель/яркость) и диапазона интенсивности (глубина/насыщенность)^[68].

РИС. 1.3. Концепция перцептивного пространства в обонянии. Вверху: обонятельная призма на основе шести первичных запахов. Внизу: сфера перекрестной модальности, включающая запах, вкус и прикосновение. Источник: вверху: H. Henning, Der Geruch (Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1916), 94; перевод автора; внизу: H. Henning, Der Geruch (Leipzig: Barth, 1916), 26; перевод автора.

Методологический вклад Геннинга, переживший идею призмы, заключается в проверке одновременно двух ноздрей. Его современники обычно проверяли обоняние либо с одной открытой ноздрей, либо сначала с одной открытой ноздрей, а потом – с другой. Геннинг критиковал такую практику как неестественную для человеческого поведения. Но его главная идея – система первичных запахов – не подавала признаков жизни до конца XX столетия.

Первая половина XX века

Несмотря на первые попытки исследований, обоняние в психологии и нейрофизиологии оставалось узкоспециализированной темой. Исключение составляла химия, которая сохраняла роль образца в изучении запахов на протяжении всего XX века. И неудивительно. Химические стимулы казались единственным объективным и контролируемым параметром в измерении, количественном определении и классификации запахов. Но без биологической модели химия не давала полноценной картины. Так или иначе, сенсорная система определяла связь раздражителя с исследуемым объектом: какие структурные особенности химических веществ отвечали за запахи?

В начале XX века по этому поводу было выдвинуто несколько гипотез^[69]. Рассуждения относительно структурной основы запахов строились на известных физических явлениях. В XIX и начале XX века предпринимались попытки сформулировать колебательную (вибрационную) теорию запаха, исходя из сравнения со светом, звуком и теплом. Модели и доказательства были самыми разными. В колебательных теориях отражалось эстетическое сходство между цветом и запахом, предположение об эфирной среде и даже химические принципы, аналогичные периодическому закону Менделеева. Но как организм улавливает эти колебания запаха? Одна модель предполагала соответствие между колебаниями обонятельных клеток и молекул запаха. В другой модели указывалось, что обонятельные клетки колеблются в результате химической активности^[70].

Появление колебательных теорий отражает доминирующую позицию физики в науке того времени. Существовало множество определений колебательного движения; предполагалось, что оно напоминает коротковолновые лучи, рентгеновские лучи или свет в виде электромагнитных волн^[71]. Первые систематические исследования колебательной теории запаха появились в 1920-х и 1930-х годах. Идеи Дайсона возникли в результате открытия рамановского рассеяния света и испускания фотонов. Роберт Райт оживил эту идею в 1960-х годах^[72]. Но биологический механизм, поддерживающий данную теорию, оставался неясным, хотя гипотез высказывалось немало. Одна идея заключалась в дистанционном влиянии на некую среду, резонирующую с обонятельными нервами^[73]. Другая – в механической стимуляции обонятельных волосков для совершения колебаний разного типа под воздействием массы и импульса пахучих частиц^[74]. В 1990-х годах эта идея вновь привлекла внимание в связи с модной квантово-физической моделью Луки Турина, основанной на неупругом туннелировании электронов, которая, впрочем, вскоре была опровергнута^[75].

В других гипотезах физика сочеталась с химическими моделями. Одни утверждали, что некие гипотетические рецепторы могут терять энергию из-за характеристик поглощения инфракрасного излучения веществами^[76]. Другие полагали, что дипольные молекулы нейтрализуются в результате контакта с мембраной^[77]. Наконец, была модель, в которой утверждалось, что частота колебаний связана с диаметром пигментных зерен в обонятельной мембране^[78].

Химические теории обоняния концентрировались вокруг взаимодействия молекул запаха с эпителием. Объяснения колебались от адсорбции (прикрепления молекул к поверхности мембраны) до абсорбции (прохождения молекул через поверхность мембраны или растворения в покрывающей ее жидкости)^[79]. Менее популярная гипотеза основывалась на снижении поверхностного натяжения^[80]. Другие идеи касались водной или липидной фазы внутри мембраны или самих клеток^[81]. В рамках проверки иммунологической теории обоняния для подтверждения существования антител к запахам в ткани путем инъекций вводили инсулин^[82]. Кто-то искал аналогии между обонятельными стимулами и наркотиками^[83]. К 1950-м годам некоторые ученые предположили, что обонятельные реакции катализируются цепью ферментов^[84].

В середине XX века количество теорий обоняния примерно соответствовало количеству ученых, занимавшихся его исследованием. Разрозненные идеи объединяла вера в существование некоего структурного принципа, объясняющего, почему каждая молекула имеет специфический запах. Но суть этого принципа оставалась тайной.

Середина XX века и далее

В середине XX века возник направленный интерес к изучению обоняния. Поначалу продвижение в этой области по-прежнему зависело от отдельных людей, занимавшихся тем или другим вопросом. В числе таких пионеров был химик и специалист по ароматам Джон Эймур, работавший в одной из четырех лабораторий Департамента сельского хозяйства в Беркли. Химик Терри Экри из Корнеллского университета вспоминал о том, как ему повезло встретиться с Эймуром в студенческие годы. «Эта лаборатория в основном занималась улучшением качества еды для гражданского населения и военных в различных экстремальных ситуациях, включая войны, наводнения и подобные события. Они много времени потратили на работу по консервированию продуктов. Джона Эймура интересовало, что происходит со вкусом продуктов, когда их замораживают, высушивают и хранят в различных условиях».

Но интересы Эймура выходили за пределы химии пищевых продуктов. Он хотел понять запахи. В 1960-х годах он вернулся к идее «первичных запахов» в свете новых открытий в структурной химии^[85]. Биология системы по-прежнему оставалась черным ящиком. Эймур соединил два набора данных из химии и психофизики и предположил, что существует от пяти до восьми первичных запахов. Чтобы обойти нехватку биологических данных, он придумал интересную стратегию: изучать тех, кто потерял нюх. Он проверял людей со специфическими типами аносмии^[86], которые сохранили нормальное обоняние за исключением способности воспринимать один или несколько конкретных запахов. Например, некоторые не чувствуют запах мускуса. В то время это было передовое исследование. Нейробиолог Лесли Воссхолл из Университета Рокфеллера рассказывала: «Эймур был гигантом в этой области, осмелившимся решить проблему перехода от молекулы к восприятию. Его идеи опередили время. Возможно, его размышления о специфических типах аносмии сообщили нам нечто о механизмах попадания молекул в мозг».

Через изучение аносмии Эймур надеялся найти соответствие между категориями запаха и структурными классами химических соединений методом «от противного». Далее он рассуждал о возможном существовании рецепторных участков, комплементарных первичным запахам – по аналогии с моделью «ключ – замок» для связывания лиганда, которая приобрела популярность у его современников. Модель предполагала, что лиганды^[87] связываются с рецепторами, имеющими комплементарную форму. Механизм «ключ – замок» был впервые предложен Эмилем Фишером в 1894 году (Нобелевская премия 1902 года); Лайнус Полинг предположил, что это может также относиться к биохимическим взаимодействиям в обонятельных реакциях^[88]. Вслед за Полингом в 1949 году шотландский химик Роберт Монкриф работал над похожей структурной гипотезой, оценивая пространственные (геометрические) свойства одорантов (пахучих молекул) и развивая идею о центральной роли молекулярной структуры в биохимических исследованиях^[89].Так началось создание первой теории запаха.

Химики без устали работали над выявлением общих правил и деталей в связях между структурой молекул и запахом, одновременно открывая классы запахов, указывающих на потенциальные типы рецепторов. Еще одним пионером в моделировании связи между структурой молекул и их запахом стал немец Гюнтер Охлофф. Химик Кристиан Марго из компании Firmenich вспоминает о работе с Охлоффом: «Он строил теории^[90]. Он был очень увлеченным, требовательным и всегда воодушевляющим. Он был приверженцем независимых и высококачественных исследований». Охлофф первым обнаружил нечто, напоминавшее ту самую связующую закономерность для структуры молекулы и ее запаха: так называемое трехосевое правило для амбры^[91]. Это правило было сформулировано в статье, вышедшей в 1971 году; оно гласило, что запах амбры определяется присутствием двуядерного соединения декалина, причем специфические группы атомов в трех обозначенных позициях должны располагаться вдоль осей. После первого успеха правило претерпело несколько модификаций. Правилу Охлоффа противоречили некоторые очевидные исключения (например, караналь, молекула которого не подчинялась приведенному выше описанию химической топологии). Такая же судьба позднее постигла и другие правила, связывавшие запах со структурой молекул^[92].

Вскоре химики признали удивительное структурное разнообразие молекул запаха. Понимание химического мира запахов необычайно расширилось во второй половине XX века, чему способствовал значительный технологический прогресс, включая развитие газовой хроматографии, а также работы многих известных химиков, таких как Чарльз Селл и Паоло Пелози^[93]. Это разнообразие подрывало даже самые аккуратно сформулированные правила, связывавшие структуру молекул с их запахом (structure-odor rules, SORs)^[94]. Правила SORs не могли овладеть шифром носа. Казалось, они достаточно точно отражали причинно-следственные связи, заставляющие молекулы пахнуть определенным образом. Но они не позволяли установить причину, почему молекулы пахнут так, а не иначе. Экри соглашался: «Выяснилось, что изучение молекулярной структуры лигандов не дало нам никакой информации об ответе на эти лиганды в растворах в реальных системах».

Как выяснилось, модель «ключ – замок» не только не могла решить проблему SORs, но еще и оказалась неточной. Положительный результат применения этой модели в том, что изучение обоняния было включено в более широкий круг биохимических исследований^[95]. Вскоре к этой работе присоединились биологи, и среди них был Максвелл Мозель из Университета Сиракуз. Ранняя теория обоняния Мозеля 1950–1970-х годов и его же более поздние работы воплощали основную исследовательскую стратегию времени: поиск выборочной активации через формирование пространственных распределений. Теория Мозеля возникла под влиянием ранних физиологических исследований Эдгара Адриана о пространственных взаимодействиях в обонятельной луковице; он сравнивал процессы в обонятельном эпителии с функцией хроматографа («хроматографическая гипотеза»)^[96]. «Вот откуда у меня возникла идея, что у обоняния, запаха и способа его восприятия и распространения могут существовать пространственные отношения – как в других сенсорных системах: слухе, осязании и отчасти даже вкусе». Он предположил, что молекулы запаха не распределяются по всему эпителию, и что в эпителии есть разные зоны, где происходит взаимодействие с одорантами. Различия в скорости связывания в рамках этой теории указывали на вариации чувствительности рецепторов.

Изучая носы лягушек, Мозель отслеживал пути прохождения воздуха и обнаружил градации «сорбции»^[97], связанные с составом химических стимулов: «Предположим, что хроматографический эффект оказывает важнейшее влияние на то, что вы воспринимаете. Не знаю, читали ли вы мою статью, но я заменил колонку газового хроматографа лягушачьим носом. Я следил за удерживанием различных одорантов, как на обычной колонке для газовой хроматографии. Я заменил колонку лягушачьим носом, и мы обнаружили, что они почти идентичны». Мозель анализировал различия сорбции веществ, связанные с такими особенностями молекул, как растворимость в жирах и в воде. Он так и не закончил формулировать свою теорию, однако она сильно повлияла на изучение динамики воздушных путей и потоков в носовых ходах.

В 1970-е годы к исследованиям обоняния подключились несколько физиологов. Это была неизведанная территория, хотя и не обещавшая быстрого прогресса. Активизация биологических исследований привела к изменениям в их научном сообществе. И это изменение было не только экспериментальным, но и социальным.

Современная наука о запахах возникла в сравнительно небольшой группе чрезвычайно заинтересованных людей, часто находивших друг друга вне основного собрания ученых на больших научных конференциях, таких как исследовательская группа по химическим чувствам при Американском обществе нейробиологов, или на более специализированных встречах наподобие Гордоновских конференций (они проходят раз в три года и посвящены обонятельному и вкусовому распознаванию химических стимулов). В конце 1970-х годов прошли первые специализированные мероприятия по химическому распознаванию: ежегодная конференция Европейской организации хеморецепторных исследований (ECRO) и проходящий раз в три года Международный симпозиум по обонянию и вкусу (ISOT). «Однако ни одно из них на самом деле не собирало всех, – вспоминает Мозель. – Поскольку психологи посещали конференции по психологии, физиологи посещали конференции по физиологии… и были Гордоновские конференции раз в три года. Но этих людей можно было увидеть нечасто. И поэтому постоянно говорилось, что нам нужна какая-то ежегодная встреча по обонянию, но никто и никогда почти ничего для этого не делал».

К реальным изменениям привела необходимость. В конце 1970-х Национальный научный фонд (NSF) США сократил финансирование, причем значительно. Тем, кто занимался зрением, не стоило беспокоиться по этому поводу, так как их тематика была актуальна в быстро развивающейся сфере нейробиологии. Но финансирование исследований обоняния никогда не было ни стабильным, ни гарантированным. Они едва-едва поддерживались. Североамериканским ученым была нужна организация, которая могла бы найти средства.

«Я работал в Национальном научном фонде, и один парень все время говорил мне: “вы в области обоняния не так уж много выяснили по сравнению с теми, кто исследует зрение и слух”. Он очень меня этим раздражал. Но он был прав, поскольку в то время мы знали очень мало. Мы знали, что молекулы несут запах, но больше почти ничего. Итак, мы [в этой области] продолжали разговаривать, когда встречались на конференциях по физиологии. Мы должны были что-то сделать. Мы были обязаны что-то сделать. Но потом NIH (Национальный институт здравоохранения) и NSF кое-что предприняли». Изменилась политика финансирования. Для изучения обоняния требовалась материальная поддержка. «Возникла идея, что нам тоже следует организовать общество, которое могло бы вести переговоры с NIH и NSF и представлять ведущиеся в США исследования».

Так родилась Ассоциация хеморецептивных наук (AChemS). «До AChemS не было общества, которое сводило бы их вместе, – вспоминает Экри. – Замечательное событие, случившееся при моей жизни: оно позволило этим областям развиваться параллельно внутри структуры сообщества». Это была обычная платформа для сравнения экспериментальных данных и обмена идеями. Короче говоря, AChemS, наряду с ECRO, обеспечила определенную связь и преемственность в сообществе ученых, что способствовало ускорению исследований. Мозель отмечал, что это сообщество было сравнительно небольшим: «AChemS объединяла около пятисот членов. Исследование зрения объединяло миллионы». Сегодня AChemS – официальная организация, в 2018 году ее конференция проводилась в сороковой раз. «Если бы NIH и NSF не решили, что больше денег должно доставаться зрению и слуху, а не химическим чувствам, возможно, мы никогда бы не стали организацией!» – смеется Мозель.

В конце 1970-х и в начале 1980-х годов данная область исследований наконец сформировалась. Обоняние уже не было исключительно полем деятельности химиков, открыв двери и для биологов. В 1980-х годах началось систематическое изучение молекулярных основ обоняния. Результаты показывали, что определение запаха происходит по тому же молекулярному пути, что и определение стимулов в других сенсорных системах. Внешняя информация от стимулов (фотонов, звуковых волн или молекул воздуха) в чувствительных нервах превращается в электрические сигналы. Отвечает за эти превращения путь с участием вторичных мессенджеров – каскад биохимических реакций, который в разных молекулярных формах постепенно вырисовывался благодаря работам нескольких биохимиков, генетиков и нейробиологов. Нейробиолог из Колумбийского университета Стюарт Фаерштейн вспоминает: «В исследованиях обоняния имело место невероятное тяготение к молекулярной биологии… В частности, я имею в виду Рэнди Рида из Университета Хопкинса, Хана Брира из Германии, Дорона Лэнсета из Израиля, Габриэля Роннетта и некоторых других людей, которые выполнили большую часть клеточной и молекулярно-биологической работы по обонянию и которые действительно открыли всю систему передачи сигнала. Это было до того, как дошли до рецепторов; в то время вопрос был чуть легче разрешимым».

Эти открытия развенчали идею о том, что чувство обоняния является чем-то принципиально иным. «Вначале, когда я только вошел в эту сферу исследований, – вспоминает нейробиолог из Йельского университета и бывший наставник Фаерштейна Гордон Шеферд, – обоняние оставалось в стороне ото всего. Никто ничего не знал. Когда они начали работать, все казалось другим. Поскольку вы не можете себе представить, что такое обонятельный стимул, вам трудно его контролировать… Вы не знаете, что происходит в мозге. Люди считали, что обоняние является чем-то особенным, что оно другое. В области зрения были выполнены революционные работы, и было принято считать, что зрение – главное чувство, а обоняние – второстепенное». С ростом понимания общих механизмов молекулярных коммуникаций резонно было предположить, что запахи следует рассматривать в свете тех же основных принципов, которые управляют другими сенсорными процессами. Это понимание способствовало перемещению исследований обоняния из почти маргинальной ниши ближе к основным научным направлениям. И их дополнительному ускорению. Ключевым, но пока отсутствовавшим элементом паззла были мембранные рецепторы, открывавшие двери в мир молекулярных превращений.

Прошло еще десятилетие, прежде чем усилия ученых по-настоящему оправдались. В 1991 году после долгожданного открытия Линдой Бак и Ричардом Акселем обонятельных рецепторов исследования обоняния наконец сорвали джекпот. Невероятный джекпот. Фактически мгновенно это открытие вывело обоняние из тени на солнечный свет.

Какие бы другие истории мы не рассказывали, современная наука о запахах очевидным образом распадается на два периода: до и после открытия рецепторов. Можно задуматься, вовремя ли произошло это открытие. Нейробиолог из университета Джонса Хопкинса Рэндалл Рид рассуждает так: «Я думаю, самая большая опасность для этой области была бы в том, что оставайся мы еще одно десятилетие без рецепторов, и люди стали бы уходить. Представьте себе, что было бы, скажи Линда: Я ухожу». Но она так не сделала.

И с этого начинается сегодняшняя история обоняния.