Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

Мысль о том, что летучие молекулы физически взаимодействуют с обонятельным органом, в целом приняли не так уж давно. Более ранние теории пытались объяснить ольфакцию, например, тем, что молекулы пахучего вещества создают некое излучение наподобие звука и света и тем самым стимулируют обонятельные рецепторы на расстоянии. Наука списала эти теории в утиль естественным образом, после того как биохимия и молекулярная биология открыли белки, способные распознавать молекулы одоранта, взаимодействуя с ними непосредственно. Любопытно, что в пику всем этим умозрительным концепциям Лукреций еще в I веке до н. э. написал трактат «О природе вещей», основанный на учении Эпикура, где выдвинул предположение, что обонятельные ощущения возникают вследствие контакта крошечных частиц пахучего вещества с человеческим носом.

Хотя само понятие молекул в те времена не было еще развито, это не так уж далеко от нашего современного понимания вопроса. Более того, в своем анализе обоняния Лукреций пошел еще дальше и высказал некоторые идеи, которые подтвердились лишь недавно благодаря новейшим биохимическим исследованиям. Так, он предположил, что разные обонятельные характеристики веществ могут зависеть от формы тех самых крошечных частиц: частицы с гладкой поверхностью порождают приятные ароматы, а шершавые и колючие – запахи грубые и отвратительные. Только в 1960-е годы форма молекул действительно была признана решающим фактором, определяющим запах.

В следующем разделе мы с вами рассмотрим несколько простейших молекул одорантов и попробуем выявить физические и химические характеристики, коррелирующие со свойствами запаха. Проще говоря, мы сосредоточим наше внимание на том, какую роль играют стереохимические параметры молекулы, такие как размер и форма. Наши эксперименты будут основаны на знакомых запахах, встречающихся в повседневной жизни.

Запахи и молекулярная структура

Когда химик хочет описать то или иное вещество, он прежде всего смотрит на его макроскопические свойства, которые легко поддаются наблюдению и измерению. Начнем с того, что вещество может находиться в твердой, жидкой или газообразной форме. Оно может иметь цвет – или не иметь его. Оно может по-разному проявлять себя в химических реакциях в зависимости от температуры и множества других параметров. Все эти свойства напрямую связаны с его химической структурой. Нередко по одному этому признаку можно правильно определить многие отличительные черты вещества, например его физическое состояние, растворимость и цвет.

Так можем ли мы предсказать его запах? Теоретически могли бы, если бы знали, какие молекулярные характеристики соответствуют реакциям нашего носа на разные химические соединения. Но способны ли мы определить запах вещества только на основе его физического облика, реактивности или оптических свойств? Нет, ни в малейшей степени. Пытаясь дать определение запаха, мы все равно не сможем избежать отсылок к обонятельной системе. Запахом сможет считаться только набор таких характеристик, которые обрабатываются носом, и не чьим-нибудь, а нашим собственным. Это утверждение может показаться довольно банальным, но мы и в самом деле не в состоянии дать запаху определение, не зависящее напрямую от инструмента, которым мы пользуемся для его оценки, – нашего носа. Следовательно, если мы хотим изучить структурные элементы молекулы в связи с ее запахом, нам ничего не остается, как обратиться с запросом к собственной обонятельной системе.

С другой стороны, совершенно очевидно, что одну и ту же молекулу человек и насекомое воспримут по-разному. Известно, что многие феромоны насекомых обладают очень сильным запахом – но именно для того вида, который их производит; чтобы вызвать у соответствующего насекомого реакцию, достаточно лишь нескольких молекул. Однако для человека те же самые соединения могут вообще ничем не пахнуть. Впрочем, мы уже убедились, что и между отдельными особями нашего вида может быть физиологическая разница, пусть даже совсем незначительная, из-за которой одни и те же химические вещества будут пахнуть по-разному для меня и для вас.

Архитектура молекул

Для тех, кто не знаком с понятийным аппаратом химии и не привык мыслить на молекулярном уровне, мы сейчас попробуем обозначить некоторые базовые принципы. Они помогут вам лучше представить форму и свойства молекул.

Давайте для простоты рассматривать химические структуры как конструктор из шариков и палочек, который вы, возможно, помните еще по школьным урокам химии. Шарики – это атомы, а палочки – химические связи, которые соединяют атомы в молекулы. Такими моделями химики пользовались вплоть до самого недавнего времени – не только чтобы успешно преподавать свою науку студентам, но и чтобы самим лучше представлять форму сложных молекул. Сейчас вместо физических палочек и шариков используют компьютерные модели: их можно с легкостью передвигать по экрану, поворачивать, видоизменять и сравнивать между собой.