- Головна
- статті
- Науки про життя
- Інші науки про життя
- Нюх - найдавніше з почуттів
Нюх дає нам можливість отримувати задоволення від приємних запахів, а іноді здатне врятувати нам життя: не дати випити оцет замість горілки, підказати, що не варто їсти пиріжок з тухлятину або нагадати, що при наявності запаху газу не можна клацати вимикачем. Однак навколишні нас запахи володіють властивостями, про які багато хто, можливо, навіть і не підозрюють.
Щось на зразок людського нюху існує навіть у мікроорганізмів: хемотаксис - здатність переміщатися до джерел їжі і подалі від небезпечних речовин - проявляють все рухливі одноклітинні. Але давайте припустимо приблизно 3,5 мільярда років еволюції нюху і перейдемо відразу до ссавців і людині.
Для багатьох тварин нюх є як мінімум не менш важливим джерелом інформації, ніж зір і слух: будь-собачник знає, що собаки губляться при зустрічі з напідпитку господарем: виглядає і каже він так само, а пахне зовсім по-іншому! І не від «вихлопу» (запах фарби, оселедця і т.д. такої дії не роблять), а тому, що разом з рештою біохімією алкоголь змінює склад поту і, відповідно, невідчутні для людського носа відтінки індивідуального запаху.
Для нас з вами здатність відчувати і розрізняти запахи, на перший погляд, не так вже й важлива. Іноді вона навіть заважає: кожен може пригадати ситуації, коли він був готовий віддати півцарства за те, щоб не відчувати запаху увійшов в тролейбус бомжа або наївшись часнику колеги. І хоча без задоволення від запаху квітів, парфумів, їжі і безлічі інших ароматів світ втратив би багато, для людини нюх стоїть на четвертому місці в ряду п'яти почуттів. За рахунок зору ми отримуємо не менше 90% інформації про навколишній світ, а без нього людина використовує для орієнтації в просторі і розпізнавання живих і неживих об'єктів тактильні відчуття і слух.
Основні механізми роботи нюху вчені розшифрували зовсім недавно. Це відставання зумовлено не тільки недооцінкою важливості його ролі в житті людини, а й надзвичайною складністю пристрою нюхових рецепторів.
За рахунок складок, за формою нагадують гребені, загальна площа нюхового епітелію у людини становить 5-10 см 2. На цьому другому рубежі нюхової системи розташоване, за даними різних джерел, від 10 до 50 мільйонів клітин, які здійснюють реєстрацію запахів. У тварин їх кількість, як правило, значно більше. Наприклад, нюховий епітелій у вівчарок містить до 220 мільйонів рецепторних клітин.
Нюховий рецептор являє собою сенсорну (чутливу) нервову клітину, від якої відходять два відростки. До порожнини носа - короткий дендрит (чутливий відросток нейрона), що має не менше 10 війок, кінчики яких знаходяться на самій поверхні нюхового епітелію і виступають в покриває його слиз. До мозку - довший руховий (передавальний) відросток, аксон, сплітаються з аксонами інших нюхових нейронів в нитки нюхового нерва, що проходять через отвори гратчастої кістки черепа в нюхову цибулину - структуру мозку, яка здійснює первинну обробку інформації про запахи. Нюхова цибулина тим крупніше, ніж гостріше нюх тварини, тому у собак-шукачів вона значно більше, ніж в куди більшій за розміром мозку людини.
З нюхової цибулини нервові імпульси надходять в первинні, а потім до вищих нюхові ділянки кори головного мозку, що формують усвідомлене відчуття характеру і інтенсивності запаху. Кінцевим пунктом обробки даних про запахи є лімбічна система, яка регулює емоційні і поведінкові реакції організму.
Як це працює?
Молекули ароматичних речовин, що потрапляють з струмом повітря в носову порожнину, розчиняються в слизу, що покриває нюховий епітелій, і взаємодіють з рецепторними білками, що містяться в мембрані війок нюхових нейронів. Ця взаємодія змінює іонну проникність мембрани клітин і формує електричний імпульс, що передається по аксону клітини в нюховий нерв і далі, аж до рухових нейронів спинного мозку, що дають м'язам команди затиснути ніс пальцями і відійти подалі - або навпаки.
Традиційний підхід до вивчення механізмів роботи рецепторів нюху полягав у вимірі активності тих чи інших нейронів у відповідь на різні подразники. Для цього до нюхових нервах тварин під'єднували електроди і давали їм вдихати різні речовини. В результаті вдалося з'ясувати тільки те, що один і той же нейрон може реагувати на різні речовини, проте механізми, що лежать в основі цього процесу, довгий час залишалися незрозумілими.
Бак і Ексел обрали принципово новий підхід - вони звернулися до стрімко розвивається генетиці і почали пошук генів, активність яких реєструється виключно в нюховому епітелії. Спочатку їх експерименти також були безуспішні, що пізніше Ексел пояснив існуванням величезної кількості білків-рецепторів, реакція кожного з яких на конкретний запах занадто слабка, щоб її можна було виявити існуючими методами.
Справитися з цією проблемою вченим допомогла придумана Бак схема, за допомогою трьох припущень значно скоротила область пошуку. Відповідно до першого допущенню, заснованому на тих, що були на той момент розрізнених наукових фактах, шукати слід було тільки гени білків, що володіють певним схожістю з родопсином - рецепторних білком, за рахунок якого відбувається формування електричного імпульсу в паличках сітківки ока, клітинах, не розрізняють кольори, а реагують на зміна освітленості і забезпечують сутінковий зір. Крім того, шукані білки повинні були ставитися до одного сімейства, а кодують їх гени - проявляти активність виключно в клітинах нюхового епітелію.
У щурів генів, що відповідають всім трьом критеріям, знайшлося близько тисячі - приблизно 1% від усього генома. Кожен сотий щурячий ген задіяний в розпізнаванні запахів, що вказує на надзвичайну важливість системи нюху для гризунів - близьких родичів приматів: наші гілки на дереві еволюції розійшлися близько 25 мільйонів років тому. Пошук в ДНК-бібліотеках дозволив знайти в геномах інших видів (миші, саламандри, зубатки, собаки, людини та інших тварин) гени-аналоги, пов'язані з первинним сприйняттям запахів. Правда, на відміну від більшості тварин, у яких більша частина цих генів справно синтезує відповідні білки, у різних видів людиноподібних мавп неактивно 28-36% генів білків нюхових рецепторів, а у людини - майже 60%. Судячи з усього, мутації, що блокують активність генів нюхових рецепторів, стали накопичуватися з того часу, коли гострий нюх втратило свою важливість для виживання мавпоподібних предків людини.
Подальше вивчення системи органів нюху показало, що кожен окремий рецепторний нейрон може розпізнавати безліч пахучих молекул, кожна з яких активує різні білкові рецептори на поверхні його мембрани. Така комбінаторна система кодування сигналів дозволяє розпізнавати практично необмежену кількість ароматів.
До того ж ефекту може призвести зміна просторової будови молекул. Наприклад, запахи кмину і кучерявою м'яти (від більш відомої перцевої вона відрізняється відсутністю холодить відчуття і менш різким запахом) забезпечують d-карвон і l-карвон - хіральні (від давньогрецького χειρ - «рука») ізомери, молекули з однаковим хімічним складом, що відрізняються один від одного, як предмет від його дзеркального зображення.
Крім того, більша кількість молекул активує більш широкий спектр рецепторів, через що один і той же речовина може пахнути по-різному в залежності від концентрації.
Найдивнішим прикладом є скатол - гетероциклічна сполука, що утворюється при розкладанні білкових з'єднань і додає специфічний запах випорожнень. У той же час в малих концентраціях скатол має приємний запах і входить до складу парфумерних продуктів і харчових есенцій.
Найбільш багатогранними в цьому відношенні є альдегіди. Так, кокосовий альдегід в невеликій концентрації пахне не кокосом, а абрикосом або персиком, а запах анісової альдегіду при розведенні відчувається як аромат свіжого сіна, шипшини і квітів глоду.
До найбільш неприємно пахне сполук відносяться сірковмісні речовини, починаючи з найпростішого - сірководню H2 S. «Чемпіонами» серед них вважаються меркаптани. Їх суміш забезпечує сморід скунсові струменя, від якої людина може втратити свідомість. Меркаптани надають неповторний аромат гнилої капусти і побутового газу: природний газ нічим не пахне, і в цілях безпеки в нього додають трохи ізоамілмеркаптана. Сірковмісні сполуки діаллілдісульфід (CH2 = CH-CH2) 2 S2 і алліцин CH2 = CH-CH2 -SO-S-CH2 -CH = CH2 забезпечують різкий запах часнику, а основний компонент запаху цибулі - аллілпропілдісульфід CH2 = CH-CH2 -S-S -CH2 -CH-CH3. У самих часнику і цибулі (що відносяться до роду Allium) немає аллил: в них при розрізанні під дією ферментів перетворюються численні молекули амінокислоти цистеїну, що містять сульфгідрильні групи -SH. Особливістю цих дисульфідів є те, що від запаху практично неможливо позбутися ні за допомогою чищення зубів, ні полосканням рота. Справа в тому, що ці сполуки, проникнувши через стінки кишечника в кров, розносяться по організму, в тому числі і в легені, звідки виділяються з повітрям, що видихається.
Нюх у нашому житті
Найбільш важливо нюх в перші хвилини життя людини, так як тільки завдяки йому немовля дізнається свою маму і знаходить пахне молоком груди. У наступні пару місяців, поки зір дитини не придбає достатню гостроту, навколишній світ він сприймає головним чином за допомогою запахів. У міру дорослішання і формування інших органів почуттів нюх втрачає свою значимість. Одночасно з цим відбувається атрофія (відмирання) волокон нюхового нерва. Протягом першого року життя гострота нюху людини знижується на 40-50%, а подальша швидкість і ступінь погіршення здатності розпізнавати запахи залежить від індивідуальних особливостей організму, статі, способу життя і впливу різних чинників навколишнього середовища. Наприклад, у курців здатність розрізняти запахи знижується на 50-60%, після чого відновлюється на 20-30%. При відмові від куріння розвивається гиперосмия - гострота нюху підвищується приблизно на 20% в порівнянні з вихідною.
Вважається, що людина більш чутливий до неприємних запахів. У більшості випадків як неприємні ми сприймаємо запахи, які сигналізують про небезпеку: не їж протухнули м'ясо або підгнилі фрукти, тримайся подалі від сірководню, хлору, аміаку, не вскочити в екскременти - в них можуть бути яйця глист, дизентерійні амеби та інша холера. Тих з наших предків (покритих ще лускою, а не шерстю), у яких таких асоціацій не виникало, відсіяв природний відбір. Хоча бувають і винятки - наприклад, часник, який повністю підпадає під народне прислів'я «своє не пахне» :)
Однак речовини, які ми можемо відчути в найменших концентраціях, пахнуть приємно. Рекордсменом довгий час вважався ванілін: його можна понюхати при концентрації 2 × 10 -11 г в літрі повітря. Але зовсім недавно з'ясувалося, що один з хіральних ізомерів речовини під назвою винний лактон (він надає винам слідкувати-кокосовий аромат) відчувається при концентрації, в дві тисячі разів меншою: одна стотрілліонная (10 -14) грами в 1 л повітря. А запах його дзеркального ізомери (на малюнку - праворуч) можна відчути тільки при концентрації, на 11 порядків більшою - 1 мг / л.
Жінки в цілому володіють більш гострим нюхом, що зберігається до більш похилого віку. Однак, як це не парадоксально, професії, пов'язані з розрізненням запахів, є виключно чоловічими. Справа в тому, що зміни гормонального фону протягом місячних циклів жіночого організму, впливають на роботу різних органів і систем, в тому числі і системи нюху. В результаті на початку циклу у жінок часто розвивається тимчасова гипосмия - зниження чутливості до запахів. Цього не спостерігається при прийомі гормональних протизаплідних засобів, що підтримують постійний гормональний фон в організмі, однак очевидно, що прийом пігулок не може бути обов'язковою умовою прийому на роботу.
Без нюху наша їжа стала б практично позбавленою смаку. Смакові рецептори людини розрізняють тільки чотири відчуття: солодкий, солоний, кислий і гіркий, а решта різноманітність смаків різних страв і напоїв забезпечують комбінації ароматичних речовин. При сильному нежиті, коли верхні носові раковини «забиті» і містить аромати повітря до них просто не доходить, все здається позбавленим смаку і неапетитним. Експерименти показали, що якщо людині з затиснутим носом ще й зав'язати очі, щоб позбавити його зорових асоціацій з уживаними продуктами, він навряд чи зможе відрізнити яблуко від картоплі або червоне вино від кави.
Запахи здатні змінювати роботу різних систем організму. Найбільш очевидний приклад - посилення вироблення слини і травних соків від запахів їжі. Різкі і неприємні запахи (наприклад, аміаку) підвищують тиск крові і прискорюють серцебиття, а приємні - навпаки, знижують тиск, уповільнюють пульс і викликають підвищення температури шкіри, що розслабляє і заспокоює людину.
Ще один, мабуть, найзагадковіший питання в науці про запахи - їх роль в статевій поведінці Homo sapiens. Про це ми поговоримо в наступній статті.