Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

Среди щупалец опасной морской актинии, обитающей на коралловом рифе недалеко от филиппинского острова Верде, спрятались две маленькие рыбки. Это полосатые оранжево-белые рыбы-клоуны, или, точнее, амфиприоны, а еще точнее — Amphiprion ocellaris. Жизнь одной из них — самки — прошла гораздо интереснее, чем жизнь большинства позвоночных, поскольку эта рыбка не всегда была самкой. Как и все амфиприоны, рыбка сначала была самцом, который подчинялся единственной самке в стае рыбок, населявших эту актинию. В стае амфиприонов устанавливается жесткая социальная структура, и этот самец соперничал с другими самцами, пока наконец не стал доминирующим и не завоевал право спариваться с единственной самкой в стае. Однажды самку съела проплывающая мимо мурена, и после этого у доминирующего самца стали развиваться яичники, которые несколько лет не функционировали, а семенники, наоборот, перестали функционировать. Так самец-амфиприон превратился в королеву-самку, готовую к спариванию со следующим самцом в иерархии стаи.

Амфиприоны — типичные обитатели коралловых рифов Индийского и западной части Тихого океанов. Они питаются растениями, водорослями, планктоном, а также моллюсками и мелкими ракообразными. Из-за небольшого размера, яркого окраса и отсутствия шипов, острых плавников, усиков и зубцов сами амфиприоны становятся легкой добычей мурен, акул и других хищников, снующих по рифам в поисках пищи. Почуяв угрозу, они спасаются тем, что стремительно скрываются в щупальцах своей актинии. От ядовитого жала актинии рыбки защищены плотным слоем слизи, покрывающей их чешуйки. В свою очередь, актиния также пользуется защитой своих разноцветных жильцов, которые отпугивают нежеланных гостей, например рыб-бабочек, питающихся коралловыми полипами.

Эти особенности образа жизни рыб-клоунов стали широко известны после выхода на экраны анимационного фильма «В поисках Немо»[61]. По сюжету рыба-клоун по имени Марлин отправляется на поиски своего сына Немо, который поневоле оказался далеко от дома — Большого Барьерного рифа — и добрался до самого Сиднея. Но еще более сложным испытанием для амфиприонов оказываются поиски дороги домой.

Каждая актиния может быть домом для целой колонии амфиприонов, в которой обязательно есть доминирующая пара — самец и самка. Кроме того, в колонии несколько молодых самцов конкурируют между собой за право стать партнером самки в будущем. Протандрический гермафродитизм амфиприона (необычная способность доминирующего самца менять пол после гибели самки) является, скорее всего, формой адаптации к жизни на опасном рифе. Благодаря этой способности колония предохраняет себя от вымирания после гибели единственной самки с репродуктивной функцией. Более того, рыбам даже не нужно покидать родную актинию в поисках нового дома. Одна и та же колония амфиприонов обычно живет на актинии на протяжении многих лет, однако потомство все же иногда покидает безопасный дом и рано или поздно сталкивается с испытанием — поиском обратного пути.

Полнолуние является своеобразным сигналом для начала нереста большинства коралловых рыб[62]. Когда луна над океаном начинает идти на убыль, самка рыбы-клоуна мечет икру, которую впоследствии оплодотворяет доминирующий самец. На этом работа самки окончена, а вот самец занимается тем, что охраняет икринки, отгоняя от них хищных рыб, обитающих на рифе. Отцовская забота об икринках длится примерно неделю. После на свет появляются сотни головастиков. Течения уносят их во взрослую рыбью жизнь.

Головастики амфиприонов достигают в длину лишь нескольких миллиметров. Кроме того, они почти полностью прозрачны. В течение недели или около того они плавают в океане, питаясь зоопланктоном. Как знают опытные дайверы, не раз погружавшиеся на глубину в районе коралловых рифов, течение очень быстро относит вас от того места, где вы погрузились под воду; так головастиков амфиприонов относит от родного рифа на многие километры. Большинство из них становится жертвами хищных рыб, но некоторые выживают. Еще через неделю счастливчики, оставшиеся в живых, опускаются на дно, где в течение дня превращаются (как головастик лягушки, которого мы описали в главе 3) в мальков — маленькие копии взрослых рыб. Без защиты ядовитой актинии ярко окрашенные мальки становятся легкой добычей хищных рыб, охотящихся в придонных водах. Чтобы выжить, мальку амфиприона необходимо очень быстро найти коралловый риф, а следовательно, и защиту.

Всегда считалось, что головастиков коралловых рыбок уносит океанским течением и что им остается лишь полагаться на счастливый случай быть вынесенными этим течением к подходящему для жизни кораллу. Однако здесь было что-то нелогичное: всегда было известно, что головастики достаточно сильные и умеют отлично плавать, но ведь нет смысла плыть неизвестно куда. В 2006 году Габриэле Герлах, исследовательница из знаменитой Лаборатории биологии моря в Вудс-Холе, Массачусетс, осуществила геномную идентификацию рыб, населяющих рифы, находящиеся на расстоянии от 3 до 23 километров. Исследование проводилось на одном из участков Большого Барьерного рифа недалеко от берегов Австралии. Выяснилось, что рыбы, населяющие отдельный риф, находятся друг с другом в более близком родстве, чем с рыбами, населяющими отдаленные рифы. Поскольку всех головастиков от родного рифа течение относит на многие километры, результат исследования можно объяснить лишь тем, что большинство взрослых рыб впоследствии возвращаются на тот риф, где они появились на свет. У мальков коралловых рыб, должно быть, есть какая-то метка, указывающая на тот участок рифа, где они родились.

Так как же головастики или мальки амфиприонов, которых течение отнесло так далеко от дома, определяют, в каком направлении им плыть? Дно океана не дает никаких видимых подсказок. На дне мало ориентиров, оно выглядит одинаково во всех направлениях: песчаная пустыня, усеянная большими и маленькими камнями, среди которых то тут, то там снуют разные членистоногие. Вряд ли далекий коралловый риф посылает некий звуковой сигнал, который распространяется в воде на несколько километров. Течения сами по себе являются проблемой, ведь их направления постоянно меняются в зависимости от глубины и иногда сложно определить, движется массив воды или находится в покое. Нет никаких доказательств наличия у амфиприонов механизма наподобие магнитного компаса, который помогает малиновкам ориентироваться в пространстве во время миграций. Так как же мальки коралловых рыбок находят дорогу домой?

У рыб хорошо развито обоняние. Известно, что акулы, у которых за обоняние отвечают две трети мозга, могут почувствовать запах одной капли крови на расстоянии более чем километр. Возможно, коралловые рыбки «вынюхивают» путь к дому? Чтобы проверить это предположение, в 2007 году Габриэле Герлах провела «двухканальный эксперимент на выбор водотока по запаху». Мальки коралловых рыб были поставлены перед выбором — поплыть по течению по одному из двух водотоков. Вода первого была собрана на том рифе, где рыбки появились на свет, а вода второго была перемещена с отдаленного рифа, чужого для мальков. Исследовательница наблюдала, какой водоток выберут мальки — с родной или чужой водой.

Мальки неизменно плыли по водотоку, сформированному из воды родного рифа. Они сумели точно определить, где вода с того рифа, где они появились на свет, а где — вода с чужого рифа. Предположительно это связано с тем, что для мальков эти воды пахнут по-разному. Майкл Арведланд, ученый из Университета имени Джеймса Кука (Квинсленд, Австралия), провел похожий эксперимент, в ходе которого подтвердилось, что амфиприоны способны по запаху отличать вид их родной актинии от всех остальных видов, населенных иными колониями. Более того, Даниэлла Диксон из того же Университета имени Джеймса Кука доказала, что амфиприоны могут отличить воду, взятую из среды их обитания — с рифов, раскинувшихся недалеко от зеленых островов, — от воды, взятой с рифов, находящихся далеко от берега. Кажется, что Немо, как и остальные рыбы-клоуны, живущие в коралловых рифах, и правда мог бы найти дорогу домой по запаху.

О способности животных прокладывать себе путь, полагаясь на обоняние, известно давно. Каждый год по всему миру миллионы особей лосося собираются в большие стаи у побережья океана в районе устья большой реки и плывут к местам нереста, преодолевая течение, пороги, водопады и песчаные отмели. Как и в случае с амфиприонами, ученые долгое время полагали, что лососи выбирают подходящую реку для нереста, полагаясь на случай. Однако в 1939 году канадец Уилберт Клеменс пометил около 470 тысяч молодых особей лосося, пойманных в одном из притоков реки Фрейзер. Спустя несколько лет он поймал в том же притоке почти 11 тысяч помеченных рыб, вернувшихся в родные воды. В других притоках реки Фрейзер не было поймано ни одной помеченной рыбы. Ни одна рыба не сбилась с пути, возвращаясь из океана в родную реку. Многие годы способность рыб ориентироваться в океане и речных потоках оставалась необъяснимой. Профессор Артур Хаслер из Висконсинского университета в Мадисоне предположил, что молодые рыбы находят путь в родную реку по запаху, и в 1954 году проверил свою гипотезу. Он поймал несколько сотен рыб, возвращавшихся вверх по течению реки Иссаква близ Сиэтла, в том месте, где сливаются два больших потока, и перенес их вниз по течению. Все рыбы вернулись в тот самый поток, в котором были пойманы. Тогда профессор заткнул их ноздри ватой и снова выпустил в незнакомом месте. Рыбы снова поплыли вверх по течению, однако в поисках своего потока они метались то в одну сторону, то в другую и никак не могли решить, куда им плыть — направо или налево.

На суше роль обоняния еще заметнее, поскольку объем воздуха, в котором растворяются запахи, намного больше объема океана. Атмосферные потоки также подвержены турбулентности, обусловленной переменой погоды, поэтому молекулы газов рассеиваются в воздухе гораздо быстрее, чем в воде. Обоняние является важнейшим чувством для большинства наземных животных, от которого зависит их выживание. Они пользуются обонянием не только для того, чтобы найти путь домой, но и для того, чтобы поймать добычу, убежать от хищника, найти партнера, подать сородичам сигнал тревоги, пометить территорию, стимулировать физиологические изменения организма, а также для коммуникации. Разумеется, человеческому обонянию недоступны такие возможности, поэтому люди часто используют более сильное обоняние братьев своих меньших, например, для того, чтобы разгадать некоторые сигналы и знаки животных. Известно, например, как сильно запахи волнуют собак. Так, гончая породы бладхаунд, чей обонятельный эпителий (подробнее об этом позже) в 40 раз толще человеческого, способна найти человека по запаху. Все мы видели по крайней мере в кино, как собаке-ищейке достаточно понюхать брошенную одежду сбежавшего преступника и она тут же берет его след и находит злодея, преследуя его по болотам, лесам и вдоль ручьев. В кино, разумеется, встречаются вымышленные истории, однако уникальное обоняние, присущее гончим, — факт достоверный. Собаки способны определить по запаху, каким путем шел человек, а каким — животное, а также напасть на след по запаху, оставленному несколько дней назад.

Продемонстрировать поразительные возможности обоняния животных можно на примерах тех подвигов, которые ежедневно совершает собака породы бладхаунд или рыба-клоун. Поговорим сначала о бладхаунде: у него такой тонкий нюх, что он способен различать в запахе человека или животного даже очень небольшое количество органических веществ, например масляной кислоты. Острота обоняния собаки удивительна. Если распылить один грамм масляной кислоты в комнате, то человек почувствовал бы ее сладковато-прогорклый запах. Однако собака учуяла запах масляной кислоты, если бы всего один грамм распылили над целым городом, причем на высоте 100 метров. А теперь вспомните, что рыба-клоун или лосось чувствуют запах родных мест на расстоянии несколько километров в необозримых просторах океана.

Обоняние животных впечатляет не только своей остротой, но и хорошо развитой дискриминационной способностью. Ежедневно собаки помогают сотрудникам таможни обнаруживать по запаху целый спектр запрещенных веществ (обычно тщательно упакованных и спрятанных в чемодане): от наркотиков, например марихуаны и кокаина, до компонентов взрывчатых веществ, например C-4. Собаки также способны различать по запаху людей, даже абсолютно одинаковых близнецов. Как же они это делают? Ведь масляная кислота, выделяемая одним из нас, — это та же масляная кислота, которая выделяется любым другим человеком. Безусловно, это так. Однако, кроме масляной кислоты, любой организм выделяет тонкую и сложную смесь из сотен органических молекул, являющуюся уникальным запахом, который, как и отпечатки пальцев, не повторяется ни у кого. Собаки чувствуют этот индивидуальный запах так же легко, как мы, например, различаем цвет футболки. Таким же образом рыба-клоун или лосось так же легко различают запах их родных вод, как мы с вами узнаем родную улицу или определяем цвет входной двери.

И все же собаки, лосось и амфиприоны не являются представителями живых существ с самым острым обонянием. Например, у медведя обоняние в семь раз острее, чем у бладхаунда: он может почуять живое существо на расстоянии 20 километров. Моль чувствует другую особь на расстоянии 10 километров; крысы способны воспринимать запахи в режиме «стерео», а змеи — языком. Все эти способности обоняния важны для животных, которые должны постоянно добывать себе пищу, находить партнеров, избегать встреч с хищниками. Они развили чувствительность к едва уловимым намекам, которые позволяют снизить риск опасности в воздухе или в воде. Обоняние настолько важно для выживания животных, что поведенческие реакции на запахи у некоторых видов являются врожденными. Во время экспериментов с участием полевок с Оркнейских островов грызуны избегали ловушек с запахом (секретом) хищника горностая, несмотря на то что горностаи не водятся на Оркнейских островах уже пять тысяч лет!

Считается, что обоняние человека менее острое, чем обоняние его предков. Несколько миллионов лет назад Homo erectus оторвал верхние конечности от земли и стал прямоходящим. Его нос при этом также отдалился от земли — богатого источника разнообразных запахов. Со временем основными источниками информации наших предков стали зрение и слух, которые постепенно совершенствовались при более выгодном для глаз и ушей положении тела. Нос человека стал короче, ноздри сузились, а в большинстве генов (всего их у наших предков было около тысячи), кодирующих свойства рецепторов обоняния, накопились мутации (подробнее об этом позже). К сожалению, мы также лишились дополнительной обонятельной способности, встречающейся у других животных, за которую отвечает вомероназальный орган (орган Якобсона). Функция вомера состоит в улавливании половых феромонов.

И все же, несмотря на скудный, по сравнению с предками, набор в три сотни генов, отвечающих за рецепторы обоняния, и некоторые анатомические изменения, мы сохранили на удивление хороший нюх. Мы не можем почувствовать запах человека или пищи на расстоянии нескольких километров, однако мы способны различать около десяти тысяч запахов и, как заметил Ницше, даже выполнить «спектральный анализ» пахучих веществ. Наша способность воспринимать запахи стала источником вдохновения великих поэтов («Роза пахнет розой, хоть розой назови ее, хоть нет») и имеет большое значение для нашего хорошего самочувствия и удовлетворения.

В истории человечества обоняние также имело на удивление большое значение. В древнейших текстах говорится о благоговении человека перед приятными запахами. Неприятные запахи вызывали отвращение. В священных местах всегда распылялись благовония. В Библии есть эпизод, в котором Бог наставляет Моисея на строительство храма и говорит ему: «Возьми себе благовонных веществ: стакти, ониха, халвана душистого и чистого ливана, всего половину, и сделай из них искусством составляющего масти курительный состав, стертый, чистый, святый»[63]. У древних египтян даже был бог благовоний — Нефертум, который также почитался как бог исцеления, своего рода мифический ароматерапевт.

Из-за стойких ассоциаций здоровья с приятными запахами и, наоборот, болезней и упадка — с неприятными многие люди верили, что именно запахи являются причиной здоровья или болезней, а не наоборот. Например, древнеримский хирург Гален считал, что зловонное белье — простыни, одеяла, матрасы — вызывает заражение крови и других жидкостей организма. Считалось, что тошнотворные запахи (миазмы), исходящие из канализации, склепов, выгребных ям, а также болот, являются источником многих смертельных болезней. Люди верили, что приятные запахи способны отразить болезнь, защитить от нее. Именно поэтому врачи средневековой Европы перед тем, как войти в дом, где находится больной чумой, требовали, чтобы помещение сначала проветрили, а затем раскурили бы в нем благовония, например ладан, смирну, масло розы, гвоздики и другие ароматические травы. Таким образом, изначально профессия парфюмера была связана скорее с дезинфекцией, нежели с уходом за человеческим телом.

Значение обоняния в жизни человека не ограничивается только распознаванием запахов, вдыхаемых носом. Возможно, вас это удивит, но считается, что наше чувство вкуса на 90 % является тем же обонянием. Когда мы пробуем пищу, рецепторы вкуса, расположенные на языке и небе, распознают химические вещества, растворенные в слюне. Однако у человека есть только пять видов рецепторов вкуса, способных различать комбинации пяти основных вкусов — сладкого, кислого, соленого, горького и вкуса умами (в переводе с японского «приятный пряный вкус»). В то же время запахи еды и напитков попадают из горла в носовую полость, где активизируют сотни рецепторов обоняния. По сравнению с рецепторами вкуса, рецепторы обоняния наделяют нас гораздо более широкими возможностями, позволяя различать тысячи различных запахов и наслаждаться ароматами хорошего вина, пахучих продуктов, приправ, трав или кофе. Несмотря на то что мы утратили вомероназальное обоняние, сохранившееся у большинства млекопитающих, широкая парфюмерная индустрия говорит о том, что запахи до сих пор играют важную роль в человеческих отношениях, особенно сексуальных. Фрейд даже усматривал связь между подавлением сексуальных желаний и сублимацией обоняния у большинства людей, однако при этом писал, что «есть целые народы, даже в Европе, в половой культуре которых высоко ценится сильный запах гениталий»[64].

Так как же люди, собаки, медведи, змеи, мотыльки, акулы, крысы и амфиприоны расшифровывают эти послания «материальной действительности»? Каким образом мы способны различать такое многообразие запахов?

Природа запахов

В отличие от зрения и слуха, получающих информацию не напрямую, а посредством электромагнитных или звуковых волн, испускаемых объектом, органы вкуса и обоняния получают информацию, непосредственно контактируя с объектом (молекулой), несущим сообщение «материальной действительности». Механизмы обоих чувств (вкуса и обоняния) работают по очень схожему принципу. Молекулы, которые распознаются органами вкуса и обоняния, либо растворены в слюне, либо распространяются по воздуху и затем попадают на рецепторы, находящиеся на языке (рецепторы вкуса) или на обонятельном эпителии верхней носовой раковины носовой полости. Свойство летучести запахов говорит о том, что большинство из них представляют собой не что иное, как крошечные молекулы.

Сам нос не играет важной роли в процессе обоняния. Он лишь способствует продвижению воздуха к месту, где расположен обонятельный эпителий, а именно к задней части носовой полости (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Анатомия обоняния

Ткань обонятельного эпителия занимает небольшую площадь (у человека — всего лишь 3 кубических сантиметра, что составляет размер небольшой почтовой марки), однако она пронизана секретирующими клетками и миллионами обонятельных нейронов — нервных клеток, которые выполняют в обонянии ту же функцию, что палочки и колбочки в сетчатке глаза выполняют для зрения. Передний кончик обонятельного нерва напоминает метелку — многолучевую головку, на которой оболочка клетки расходится на множество ворсистых ресничек. Эта метелка, состоящая из тонких ресничек, выступает из клетки и ловит пролетающие мимо молекулы запахов. Задний кончик клетки напоминает ручку метелки и представляет собой аксон клетки, или нерв, протянутый через небольшую косточку в задней части носовой полости прямо в мозг, а точнее, в отдел мозга под названием «обонятельная луковица».

Оставшуюся часть главы мы посоветовали бы вам дочитать, положив перед собой апельсин. Лучше разрезать его на дольки так, чтобы резкий аромат фрукта достиг вашего обонятельного эпителия. Можете даже положить одну дольку в рот — тогда ее аромат попадет на ткань эпителия через ретроназальные пути. Как и все естественные запахи, аромат апельсина представляет собой сложную смесь сотен летучих компонентов, самый пахучий из которых — лимонен[65]. Об этом веществе мы поговорим подробно и проследим путь от молекулы лимонена до запаха апельсина.

Лимонен, как может подсказать его название, в большом количестве содержится в цитрусовых, например в апельсинах и лимонах, и формирует их резкий аромат и вкус. Это вещество относится к классу углеводородов под названием «терпены». Терпены входят в состав эфирных масел и обладают сильным запахом, который входит в состав аромата сосны, розы, винограда и шишек. Если хотите, поставьте перед собой вместо апельсина стакан пива или вина. Лимонен содержится в разных частях цитрусовых растений, включая листья, но в наибольшей концентрации он обнаруживается в кожуре плода, из которой его можно буквально выжимать.

Лимонен — это летучая жидкость, которая постепенно испаряется при комнатной температуре. Итак, из вашего апельсина в воздух разлетаются миллионы молекул лимонена. Большинство из них покинет комнату через дверь и окна, а некоторые молекулы окажутся недалеко от вашего носа. Вы будете дышать, и цитрусовый запах — то есть молекулы лимонена — попадет в ноздри и дойдет до назального эпителия, пронизанного примерно десятью миллионами обонятельных нейронов.

Когда молекулы лимонена будут пролетать мимо щеточек обонятельного эпителия, некоторые из них обязательно попадут в ловушку обонятельных нейронов. Даже одной молекулы лимонена достаточно для того, чтобы в мембране нейрона открылся крошечный канал, через который в клетку начинают проникать положительно заряженные ионы кальция. Если в ловушку эпителия попадает около 35 молекул лимонена, последующий поток ионов, направляющихся в клетку, сравним со слабым электрическим током около 1 пА[66]. Поток такой силы действует как стимул для возникновения волны электрического сигнала, известного как потенциал действия (об этом мы подробнее поговорим в главе 8), распространяющегося по ручке метелки, то есть по аксону клетки. Этот сигнал достигает обонятельной луковицы внутри головного мозга. Далее происходит обработка сигнала в нейронных сетях, и тогда вы наконец получаете «послание материальной действительности» в виде резкого цитрусового аромата.

Ключевым моментом данного процесса является, безусловно, захват молекулы обонятельным нейроном. Так как же это происходит? По аналогии с механизмом зрения и светочувствительными колбочками и палочками сетчатки глаза (которые, кстати, представляют собой разновидность нейронов), предполагалось, что обоняние также осуществляется некими поверхностными рецепторами обонятельного эпителия. Однако еще в 1970-е годы ученые ничего не знали о природе и свойствах обонятельных рецепторов.

Ричард Эксел родился в Бруклине (Нью-Йорк) в 1948 году. Он был первым ребенком в семье беженцев из оккупированной нацистами Польши. Его детство ничем не отличалось от детства любого бруклинского мальчишки того времени: между играми в стикбол (разновидность уличного бейсбола, в которой базами-подушечками служат канализационные люки, а битами — ручки от метел) и баскетбол на улицах и во дворах Ричард бегал по поручениям отца-портного. В 11 лет он получил свою первую работу курьера — доставлял неисправные вставные челюсти дантистам на починку. В 12 лет он укладывал ковровые покрытия, в 13 подавал солонину и копчености в местной забегаловке. Хозяином забегаловки был русский, который частенько цитировал Шекспира, нарезая капусту и приобщая Ричарда к миру великой культуры, лежащему где-то за пределами забегаловок и баскетбольных площадок. Так Ричард стал любителем литературы. Его интеллектуальные способности заметил один из учителей средней школы, впоследствии вдохновивший Эксела, причем успешно, на поступление в Колумбийский университет на литературный факультет.

С первых дней учебы Эксел погрузился в интеллектуальный водоворот университетской жизни 1960-х. Чтобы ему хватало на активный образ жизни, подразумевавший посещение многочисленных вечеринок, он устроился на работу в молекулярно-генетическую лабораторию мойщиком лабораторной посуды. Эксел сильно увлекся новой интересной наукой и вскоре уволился с безнадежной должности мойщика посуды, устроившись в ту же лабораторию ассистентом. Перед ним встал выбор между литературой и наукой, и Эксел в конце концов решил продолжать учебу по специальности «Генетика», однако вскоре вынужден был перейти на медицинский факультет, чтобы избежать призыва во Вьетнам. Медицина давалась ему так же плохо, как и мытье стекла. Он не мог услышать сердечный шум, не мог рассмотреть и описать сетчатку глаза; однажды во время операции его очки упали в разрезанную брюшную полость и он каким-то образом умудрился пришить к пациенту палец хирурга. В конце концов, он получил диплом, но с него было взято обещание никогда не практиковать медицину на живых пациентах. Он вернулся в Колумбийский университет на отделение патологической анатомии, однако через год заведующий отделением запретил Экселу работать также и с мертвыми.

Осознав, что медицина не является его призванием, Эксел решил вернуться к исследовательской деятельности в Колумбийском университете. Вскоре он достиг успехов и даже изобрел новую технологию введения чужеродной ДНК в клетки млекопитающих, ставшую отправным пунктом генно-инженерной и биотехнологической революции конца XX века. Кроме того, это изобретение принесло Колумбийскому университету доход в сотни миллионов долларов от лицензионных соглашений — неплохая выручка от вложений в студенческие стипендии.

К 1980-м Эксел все чаще задавался вопросом, может ли молекулярная биология помочь разгадать самую таинственную из всех научных загадок: как работает человеческий мозг. Он оставил изучение поведения генов и сосредоточился на изучении генов поведения с целью «выявить, как высшие мозговые центры порождают „перцепт“ (умственный образ), скажем, запаха сирени, или кофе, или скунса…»[67] Его первым шагом в нейронауке стало изучение поведения морской улитки в период откладывания яиц. Примерно в это же время в его лабораторию пришла работать талантливая исследовательница Линда Бак. Иммунолог по образованию (Университет Далласа), Бак увлеклась новым направлением молекулярных нейронаук и пришла работать в лабораторию Эксела, где проводились передовые исследования в этой новой области. Вместе Эксел и Бак провели серию выдающихся экспериментов с целью изучить молекулярный механизм обоняния. Первая задача, стоявшая перед ними, заключалась в том, чтобы идентифицировать рецепторные молекулы, которые, как предполагалось, находятся на поверхности обонятельных нейронов, захватывают и определяют различные молекулы запахов. Исходя из того, что было известно о других сенсорных клетках, Эксел и Бак догадались, что рецепторы обоняния работают на основе каких-то белков, появляющихся из оболочки клетки и связывающих пролетающие мимо молекулы запахов. Однако в то время рецепторы запахов еще не были выделены, поэтому ученые не знали, как выглядят эти рецепторы и тем более как они работают. Команда исследователей отталкивалась от предположения о том, что эти загадочные рецепторы относятся к группе рецепторов, сопряженных с G-белком, поскольку известно, что данная группа рецепторов также реагирует на химические сигналы, например активизируется гормонами.

Линда Бак открыла новое семейство генов, кодирующих белки, которые экспрессируются[68] в нейронах обонятельных рецепторов. Более того, Бак удалось доказать, что эти гены кодируют трудноуловимые рецепторы, различающие запахи. Дальнейшие исследования показали, что геном крысы кодирует около тысячи таких рецепторов, каждый из которых хоть незначительно, но отличается от других и, предположительно, служит для распознавания одного запаха. В геноме человека содержится примерно такое же количество генов, кодирующих обонятельные рецепторы, однако две трети из них деградировали до псевдогенов — своего рода ископаемых генов, которые накопили столько мутаций, что больше не способны нормально функционировать.

Не так важно, 300 генов кодируют наши обонятельные рецепторы или тысяча, это все равно не сходится с десятью тысячами запахов, которые способен различать человек. Очевидно, что количество видов обонятельных рецепторов не совпадает с количеством запахов, которые они различают. Механизм трансформации сигнала, получаемого обонятельным рецептором, в запах оставался загадкой. Было неясно и то, каким образом различные клетки распределяли между собой функцию распознавания разнообразных молекул запахов. В геноме каждой клетки содержится полный набор генов, кодирующих обонятельные рецепторы, поэтому любая из них теоретически способна идентифицировать все возможные запахи. Или среди них действует некое разделение труда? Чтобы ответить на эти вопросы, команда ученых из Колумбийского университета провела еще более хитроумный эксперимент. Они изменили геном мыши так, что все обонятельные нейроны, отвечающие за конкретный рецептор одного запаха, окрасились в синий цвет. Если бы во всех клетках появились синие пятна, это означало бы, что данный рецептор экспрессируется во всех клетках. Все стало ясно, когда исследователи проверили обонятельные клетки подопытных мышей: синее пятно наблюдалось примерно в одной клетке из тысячи. Это говорило о том, что обонятельный нейрон является специалистом не широкого, а узкого профиля.

Вскоре Линда Бак покинула Колумбийский университет и возглавила лабораторию в Гарварде. Команды ученых под руководством Эксела и Бак продолжали параллельные исследования, в ходе которых были разгаданы многие загадки обоняния. Так, например, была изобретена технология изолирования отдельных обонятельных нейронов и определения их чувствительности к конкретным запахам, например к запаху лимонена. Ученые обнаружили, что любое пахучее вещество активизирует не один, а несколько нейронов, а каждый нейрон реагирует не на один, а на несколько запахов. Благодаря этим открытиям стало понятно, каким образом 300 обонятельных рецепторов распознают десять тысяч запахов. Подобно тому как из нескольких десятков букв алфавита складывается огромное количество слов и текстов, так несколько сотен обонятельных рецепторов активизируются в триллионах комбинаций, позволяющих различать огромное количество запахов.

Ричард Эксел и Линда Бак стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2004 год за передовые исследования «обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния».

Проникновение в тайну запаха

Исходным событием в определении запаха — будь то запах апельсина, кораллового рифа, партнера, хищника или жертвы — является, как теперь понятно, связывание одной молекулы запаха с обонятельным рецептором, которое осуществляется на разветвленном конце одного из обонятельных нейронов, похожих на метелку. Однако каким образом каждый рецептор распознает свой набор молекул, скажем молекулы лимонена, не захватывая других, не связываясь с любой другой молекулой из необозримого океана возможных запахов, достигающих обонятельного эпителия?

Это и есть самая главная тайна запаха.

Традиционное объяснение работы данного механизма всегда содержало сравнение с замком и ключом. Считается, что молекулы запаха подходят к обонятельному рецептору, словно ключ к замку, например, молекула лимонена плотно встраивается в подходящий обонятельный рецептор. Далее, как предполагалось, в процессе, который до сих пор остается неясным, подобное тесное связывание поворачивает замок и запускает механизм высвобождения G-белка, который обычно находится на внутренней поверхности рецептора, словно снаряд, прикрепленный к корпусу корабля. Когда белок-снаряд запускается в клетку, он прокладывает путь к клеточной мембране, где открывает канал, позволяющий электрически заряженным молекулам проникнуть в клетку. Этот электрический заряд, проникающий в клетку через мембрану, заставляет нейрон отправить сигнал (подробнее об этом — в главе 9) из обонятельного эпителия в мозг.

Если говорить о механизме обоняния в терминах замка и ключа, это означает, что молекулы рецептора и молекулы запаха дополняют форму друг друга, поэтому вторые как бы встраиваются в первые. Простой аналогией являются головоломки-пазлы, которые так любят складывать малыши: на деревянной дощечке вырезаны отверстия определенной формы (скажем, круг, квадрат или треугольник), в которые вставляются подходящие фигурки той же формы и размера. Можно представить себе молекулы разных ароматов в виде таких фигурок: например, молекула запаха апельсина, то есть молекула лимонена, — круглая, молекула яблочного аромата — квадратная, молекула бананового запаха — треугольная. Таким образом, в каждом обонятельном рецепторе найдутся соответствующие отверстия — связывающие карманы, куда идеально войдет молекула определенного запаха.

Разумеется, в действительности молекулы не имеют таких правильных форм, поэтому связывающие карманы белков-рецепторов устроены гораздо сложнее, чтобы в них могли как можно плотнее войти молекулы замысловатых форм. Большинство карманов отличаются, вероятно, очень сложными формами, напоминающими формы активных центров ферментов, которые, как вы помните из главы 3, связывают молекулы субстратов. К слову, считается, что взаимодействие молекул запаха со связывающими карманами рецепторов происходит по той же схеме, что и взаимодействие субстратов с активными центрами фермента (см. рис. 3.4) и даже взаимодействие лекарственных средств и ферментов. Кстати, ученые высказывали мысль о том, что понимание роли квантовой механики во взаимодействии молекул запахов с рецепторами может усовершенствовать процесс разработки лекарственных препаратов.

В любом случае, из гипотезы о формах молекул и рецепторов вытекает следующее предположение: вероятно, существует корреляция между формой молекулы вещества и его запахом. Иными словами, схожие по форме молекулы должны иметь похожие запахи, а молекулы с сильно различающимися формами, вполне возможно, резко отличаются и запахами.

Пожалуй, одним из самых зловещих запахов в истории человечества был запах горчицы или гнилого сена в траншеях времен Первой мировой войны. Невидимые газы беспрепятственно распространялись над нейтральной зоной. В воздухе едва уловимо чувствовался запах горчицы (иприт, или горчичный газ) или затхлого сена (фосген) — и у солдата оставались несколько драгоценных секунд на то, чтобы натянуть маску, пока смертельно опасное вещество не проникло в легкие. Химик Малкольм Дайсон выжил после химической атаки ипритом. Возможно, благодаря тому, что именно обоняние спасло его от смерти, он впоследствии решил посвятить себя разгадке природы запахов. После войны он занимался промышленным синтезом многих веществ и часто пользовался обонянием, анализируя запахи продуктов реакций синтеза. Дайсона поражало очевидное отсутствие какой-либо связи между формой молекул и их запахами. Так, многие молекулы, отличающиеся по форме (вещества на рис. 5.2, а — г), пахнут одинаково, в данном случае мускусом[69]. И наоборот, вещества со схожей молекулярной структурой (д и е на рис. 5.2) имеют различные запахи, в данном случае вещество е обладает запахом мочи, а вещество д вообще не имеет запаха[70].

Рис. 5.2. Молекулы а, б, в и г различаются по форме, однако пахнут практически одинаково. Молекулы д и е практически совпадают по форме, однако сильно различаются запахом

Отсутствие прямой связи между формой и запахом молекул всегда являлось — и продолжает оставаться — одной из главных проблем производителей парфюмерии и ароматов. Вместо того чтобы создать запах по той же схеме, что и бутылочку для него — всего лишь выбрать форму молекулы, парфюмеры вынуждены полагаться на химический синтез, который обычно растягивается на многочисленные этапы проб и ошибок, в ходе которых химикам вроде Дайсона приходится перенюхать бесчисленное множество запахов. И все же Дайсон заметил, что вещества, пахнущие одинаково, обычно содержали компоненты с одинаковыми химическими группами, например атом кислорода, связанный с атомом углерода двойной связью C=O, во всех веществах, обладающих запахом мускуса (см. рис. 5.2). Эти химические группы входят в состав любых крупных молекул и определяют многие их свойства, в том числе, как заметил Дайсон, запах вещества. Еще одна многочисленная группа веществ с похожим запахом включает вещества, в молекулах которых встречается сероводородная группа (S — H). Если в структуре молекулы есть атом водорода, связанный с атомом серы, вещество имеет характерный запах тухлого яйца. Дайсон предположил, что наши носы улавливают не форму всей молекулы вещества, а совсем иное физическое свойство, а именно частоту колебаний молекулярных связей между атомами.

Дайсон высказал свои предположения в конце 1920-х годов, когда никто не имел ни малейшего понятия, как обнаружить и зафиксировать молекулярные колебания. Однако в начале 1920-х годов во время путешествия в Европу индийский физик Чандрасекхара Венката Раман был восхищен «чудесными синими переливами Средиземного моря» и предположил, что «данное явление обязано своим происхождением рассеянию света молекулами воды». Обычно свет отталкивается от атома или молекулы «упруго», то есть без потери энергии, словно мячик из твердой резины от жесткой поверхности. Раман предположил, что в редких случаях свет может рассеиваться «неупруго», словно твердый мяч, ударяющий по бейсбольной бите, при этом передающий и бите и игроку некоторое количество энергии (помните, как в мультфильме Багс Банни отбивает быстро летящий мяч, после чего вибрирует и бита, и сам кролик). При «неупругом» рассеянии протоны также теряют энергию «в пользу» молекулярных связей, с которыми они сталкиваются и которые начинают колебаться. Рассеянный свет, таким образом, теряет энергию, что приводит к изменению его частоты и, соответственно, цвета (ближе к синему концу спектра), создавая эффект «чудесных синих переливов», которыми был очарован Раман.

Химики применяют данный принцип при исследовании структуры молекул. Через образец исследуемого вещества пропускается луч света, и разница между цветом и частотой (то есть энергией) входящего и выходящего света фиксируется как рамановский спектр вещества, представляющий собой своего рода отпечатки его химических связей. Метод выявления данного спектра — рамановская спектроскопия — носит имя индийского физика. За разработку данного метода Раман был удостоен Нобелевской премии по физике. Услышав о результатах исследований Рамана, Дайсон понял, что они, возможно, объясняют и механизм, посредством которого органы обоняния идентифицируют колебания молекул запаха. Он предположил, что нос «является своеобразным спектроскопом», способным улавливать частоту колебаний различных химических связей. Он даже определил некоторые частоты Раман-спектра для веществ со схожим запахом. Так, частота пика комбинационного рассеяния всех меркаптанов (вещества, молекулы которых содержат концевую сероводородную связь) находится в диапазоне 2567–2580. Для всех этих веществ характерен запах протухших яиц.

В рамках теории Дайсона по крайней мере можно было объяснить аналитическую природу запахов, однако никто не мог даже предположить, каким образом нечто подобное рамановской спектроскопии используется в системе органов обоняния для формирования образа запаха. Для этого нам понадобился бы не только внутренний биологический спектроскоп, который бы улавливал и анализировал рассеянный свет. В первую очередь при восприятии запаха нам понадобился бы источник света.

Еще один серьезный недостаток теории Дайсона обнаружился тогда, когда стало понятно, что наши органы обоняния способны легко различать молекулы, имеющие одинаковую химическую структуру и идентичный рамановский спектр, однако при этом являются зеркальным отражением друг друга. Например, молекулу лимонена, формирующую запах апельсина, лежащего перед вами, можно назвать правосторонней молекулой. Однако существует практически идентичная по структуре молекула дипентена — левосторонняя (зеркальная) копия молекулы лимонена (рис. 5.3, на котором острые, затемненные области внизу каждой схемы обозначают углерод-углеродную связь, направленную в первом случае вниз, а в другом — вверх).

Рис. 5.3. Лимонен (а) и дипептен (б) — зеркальные изомеры с различными запахами. Молекулы различаются только направлениями нижних химических групп, которые на схеме обозначены затемненными стрелками (стрелка указывает вниз на схеме молекулы лимонена и вверх на схеме молекулы дипентена). Разумеется, молекулу дипентена можно перевернуть так, что данная химическая группа будет направлена вниз, как в молекуле лимонена, однако в этом случае двойная связь молекулы также поменяет расположение и окажется слева, а не справа, поэтому в структуре двух молекул все равно останутся различия. Подобные изомеры напоминают перчатки из одной пары

Дипентен имеет те же молекулярные связи, что и лимонен, и, соответственно, совпадает с ним в показателях рамановского спектра, однако он сильно отличается от лимонена резким скипидарным запахом. Молекулы, имеющие зеркальные отражения, называются хиральными[71]. В большинстве случаев они имеют разные запахи. Свойством хиральности обладает также карвон — природное вещество, содержащееся в семенах укропа и тмина. Карвон имеет тминный запах, а его зеркальный изомер — запах остролистой мяты. Два этих изомера нельзя различить методом рамановской спектроскопии, однако они легко идентифицируются по запаху. Понятно, что обоняние не может полагаться только лишь на обнаружение молекулярных колебаний.

Все эти, казалось бы, неотвратимые недостатки теории колебаний, объясняющей механизм обоняния, привели к тому, что ее надолго — практически на всю вторую половину XX столетия — затмила теория замка и ключа. Ученую общественность не расположили к ней даже усердные старания немногочисленных сторонников теории молекулярных колебаний исправить недостатки. Один из сторонников теории колебаний канадский химик Роберт Райт даже предложил потенциальное решение головоломки с зеркальными изомерами, имеющими различные запахи. Он высказал предположение о том, что сами обонятельные рецепторы обладают свойством хиральности (имеют лево- и правосторонние формы). Молекулу запаха может захватить рецептор с лево- или правосторонним строением, и в зависимости от этого колебания молекулярных связей будут восприняты по-разному. Обратимся к аналогии из мира музыки. Известно, что левша Джими Хендрикс (пусть он символизирует обонятельный рецептор) обычно играл на правосторонней гитаре (сравним ее с хиральной молекулой запаха), гриф которой был направлен вправо. Правша Эрик Клэптон играл на обычной гитаре (зеркальное отражение молекулы), гриф которой был рассчитан на левую руку[72]. Оба музыканта могли сыграть один и тот же рифф (произвести одинаковые колебания) на зеркальных гитарах, однако звук, улавливаемый микрофоном (который в нашей аналогии представляет детектор колебаний — часть обонятельного рецептора), установленным, скажем, слева от музыкантов, будет различным. Отличия будут обусловлены тем, что струны двух гитар (то есть молекулярные связи) по-разному расположены относительно микрофона. Райт предположил, что хиральные обонятельные рецепторы реагируют на частоту колебаний химических связей только в том случае, если химические связи находятся в подходящем для рецептора положении: он утверждал, что рецепторы бывают левшами и правшами, как и гитаристы. И все же теория колебаний осталась на периферии науки, так и не объяснив механизм работы биологического детектора колебаний химических связей.

Однако в теории замка и ключа (теории формы) также есть противоречия. Как мы уже говорили, в рамках данной теории невозможно объяснить наличие молекул с различной структурой и одинаковым запахом и наоборот. Размышляя над этими противоречиями, в 1994 году Гордон Шеперд и Кенсаку Мори сформулировали несколько идей, которые иногда объединяют общим названием «теория слабой формы», или «теория одотопа»[73]. Основное отличие данной теории обоняния от классической теории формы заключалось в предположении Шеперда и Мори о том, что обонятельные рецепторы идентифицируют форму не всей молекулы, а лишь ее части — определенной химической группы. Например, мы уже говорили о том, что в состав молекул веществ с мускусным запахом (схемы представлены на рис. 5.2) входит атом кислорода, связанный двойной связью с атомом углерода. Согласно теории одотопа, рецепторы обоняния реагируют именно на форму этих химических групп, а не на форму целой молекулы. Эта теория больше подходит для объяснения аналитической природы запаха, однако не лишена недостатков, как и теория колебаний. Недостатки, например, всплывают тогда, когда речь идет о молекулах, которые сильно различаются по структуре, однако содержат одинаковые химические группы. Так, ни теория одотопа, ни теория колебаний не может объяснить, почему вещества различаются по запаху, несмотря на одинаковые химические группы в составе молекул. Например, молекулы ванилина (основного компонента ванили) и изованилина состоят из шестиатомного углеродного кольца и трех одинаковых боковых групп, расположенных в неодинаковом порядке (рис. 5.4). Согласно теории одотопа, одинаковые химические группы должны иметь одинаковый запах. Тем не менее ванилин, как вы понимаете, пахнет ванилью, а изованилин отличается резким запахом фенола (сладковато-медицинский запах).

Рис. 5.4. Молекулы с идентичными химическими группами (например, молекулы ванилина и изованилина) могут тем не менее иметь абсолютно разные запахи

Для преодоления этих противоречий сторонники теории замка и ключа предложили объединить ее с теорией одотопа. Они предположили наличие в обонятельной системе хирального механизма распознавания формы химических групп. И все же новая теория не способна объяснить наличие зеркальных молекул с одинаковым запахом[74]. Согласно объединенной теории, запахи таких молекул распознаются одним и тем же рецептором. В таком случае данный рецептор, одинаково подходящий по форме для зеркальных изомеров, представляет собой своеобразный молекулярный организм с универсальной рукой, на которую можно надеть и правую и левую перчатку, а это уже похоже на бессмыслицу.

Квантовый нос и его обоняние

Обычному человеку нетрудно понять, в чем заключается смысл теории совпадения формы рецептора и молекулы: каждый день мы имеем дело с таким явлением, как комплементарность форм, надевая перчатку, вставляя ключ в замочную скважину или закручивая гайку гаечным ключом. Известно, что ферменты (о действии которых мы говорили в главе 3), антитела, рецепторы гормонов и другие биомолекулы взаимодействуют в основном посредством геометрического приспособления собственных атомов и молекул. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что теория совпадения формы рецептора и молекулы была поддержана многими биологами, в том числе Ричардом Экселом и Линдой Бак, получившими Нобелевскую премию за изучение обонятельных рецепторов.

Коммуникация, основанная на обработке колебаний химических связей, знакома и понятна нам в гораздо меньшей степени, несмотря на то что данный механизм лежит в основе как минимум двух каналов получения информации — зрения и слуха. В то время как физика таких процессов, как считывание глазом частоты колебаний света или фиксация ухом частоты колебаний воздуха, давно понятна, до недавнего времени никто не мог предложить ясного объяснения того, каким образом нос распознает частоту молекулярных колебаний.

Лука Турин родился в 1953 году в Ливане. Он изучал физиологию в Университетском колледже Лондона. Получив образование в Лондоне, он переехал во Францию, где ему посчастливилось работать в Национальном центре научных исследований. Однажды он посетил известный магазин «Галерея Лафайет» в Ницце и пережил там моменты истинного откровения. В центре большого парфюмерного павильона находилась витрина, уставленная продукцией японской компании Shiseido, а именно их новым запахом Nombre Noir, о котором Турин пишет так: «Это было нечто среднее между розой и фиалкой, но абсолютно без сладкой приторности, присущей обоим ароматам; напротив, в нем был слабый, едва уловимый оттенок запаха кедровой коробки для сигар. В то же время аромат вовсе не был сухим. Казалось, он переливался свежестью глубокого, теплого цвета, и капли поблескивали в нем, словно стеклышки витража»[75]. Японский аромат глубоко впечатлил Турина и вдохновил его на долгие поиски разгадки тайны запаха, а именно того, как молекулы, попадающие в нос человека, способны вызывать такие пронзительные ощущения.

Как и его предшественник Дайсон, Турин был убежден в том, что взаимосвязь спектра колебаний и запаха не может быть простым совпадением. Он соглашался с аргументом Дайсона о том, что обонятельные рецепторы каким-то образом улавливают молекулярные колебания. В отличие от Дайсона, Турин предположил наличие в системе органов обоняния весьма абстрактного, но в то же время правдоподобного молекулярного механизма, который представляет собой набор биомолекул, способных улавливать колебания химических связей посредством квантового туннелирования электронов[76].

Как вы помните из главы 1, туннелирование — это явление квантовой природы, основанное на способности частиц, например электронов или протонов, приобретать свойства волны и преодолевать препятствия, не преодолимые никаким другим способом, известным классической физике. В главе 3 мы говорили о том, что данное явление играет важную роль во многих реакциях с участием ферментов. Пока Турин бился над разгадкой тайны запаха, ему на глаза попалась статья о такой новой технологии, применяемой в химии, как туннельная спектроскопия неупруго рассеянных электронов (IETS). Механизм IETS таков: две металлические пластины помещают очень близко друг к другу, оставляя между ними тоненькую щель. Когда на пластины подается напряжение, электроны скапливаются на одной из них, придавая ей отрицательный заряд (пластина-донор). Вторая, положительно заряженная, — пластина-акцептор — начинает их притягивать. Если в рассуждениях не выходить за рамки классической физики, то можно утверждать, что электроны не обладают достаточной энергией для того, чтобы перепрыгнуть через щель, разделяющую две пластины. Однако электроны — это объекты, характеризующиеся квантовой природой, и если щель не очень широка, то они преодолеют путь от донора к акцептору посредством квантового туннелирования. Такой процесс называется «упругим» туннелированием, поскольку электроны не получают, но и не теряют энергию в ходе преодоления некоторого расстояния.

«Упругое» туннелирование электрона от донора к акцептору возможно при одном важном условии — наличии на акцепторе свободной точки с энергией, совпадающей с энергией электрона. Если ближайшая доступная для электрона точка акцептора характеризуется меньшей энергией, тогда электрону необходимо утратить часть собственной энергии, чтобы совершить прыжок. Такой процесс называется «неупругим» туннелированием. Ненужная энергия должна быть направлена куда-либо, иначе электрон не сможет совершить туннелирование. Если между пластинами помещается некое вещество, электрон может совершать скачок от донора к акцептору, передавая этому веществу лишнюю энергию. Это возможно до тех пор, пока молекулы вещества, расположенного между пластинами, имеют связи, совершающие колебания на частоте, соответствующей сообщаемой энергии. Избавившись таким образом от лишней энергии, электроны, совершающие «неупругое» туннелирование, попадают на пластину-акцептор с меньшим количеством энергии. Устанавливая различия между количеством энергии электронов, покидающих пластину-донор, и количеством энергии прибывающих на акцептор частиц, туннельная спектроскопия «неупруго» рассеянных электронов помогает определить свойства и природу молекулярных связей химического вещества.

Вернемся к аналогиям из мира музыки. Если вы когда-нибудь играли на струнном инструменте, вы должны знать, что извлечь звук из струны можно, даже не касаясь ее. Мы имеем в виду явление звукового резонанса. Этот «фокус» можно продемонстрировать, например, во время настройки гитары. Если вы поместите маленький кусочек тонкой бумаги на одну из струн, а затем возьмете ноту, соответствующую данной струне, на соседней, вы увидите, что бумажка упадет со струны, которой вы даже не коснулись. Это происходит потому, что в случае точной настройки струна, которую вы дергаете, передает воздуху колебания, а воздух, в свою очередь, передает колебания соседней струне. Возникает резонанс колебаний соседних струн. При «неупругом» туннелировании электрон перескакивает на пластину-донор, если в составе молекул вещества, помещенного между пластинами, окажется химическая связь, совершающая колебания с той частотой, которая необходима частице для совершения скачка. На самом деле электрон, совершающий туннелирование, теряет энергию в ходе дергания молекулярной связи во время квантового скачка между пластинами.

Турин предположил, что обонятельные рецепторы функционируют подобным образом, только роль обеих пластин и щели между ними выполняет одна-единственная молекула — собственно обонятельный рецептор. Он представил электрон, изначально расположенный на донорской стороне молекулы рецептора. Как и при «неупругом» туннелировании, электрон мог бы совершить скачок на сторону акцептора в пределах той же молекулы, но, как предположил Турин, частице мешало несовпадение энергий двух сторон молекулы. Однако если рецептор захватывает молекулу запаха, которая имеет химическую связь, совершающую колебания с подходящей частотой, тогда электрон способен совершить прыжок от донора к акцептору посредством туннелирования, одновременно передавая некоторое количество энергии молекуле запаха, «дернув» за одну из ее химических связей. Турин также предположил, что электрон, совершивший туннелирование и находящийся теперь на стороне акцептора, запускает молекулярный снаряд — G-белок, приводящий в действие обонятельный нейрон, который отправляет сигнал прямо в мозг, после чего мы наконец «ощущаем» запах, скажем, апельсина.

Турину удалось обнаружить множество косвенных доказательств своей квантовой теории колебаний. К примеру, как уже было сказано, для веществ, содержащих сероводородную связь, характерен резкий запах протухших яиц. В молекулах данных веществ содержится молекулярная связь S — H, совершающая колебания с частотой 76 терагерц (76 триллионов колебаний в секунду). В рамках теории Турина выдвигается смелая гипотеза: любое вещество, в молекуле которого обнаруживается химическая связь, совершающая колебания с частотой 76 терагерц, должно обладать запахом протухшего яйца независимо от формы молекул. К сожалению, немногие вещества могут похвастаться химическими связями с подобным спектром колебаний. Турин просмотрел практически всю имеющуюся литературу по спектроскопии в поисках упоминания о молекуле с той же частотой колебаний химической связи. Наконец он обнаружил, что концевые бороводородные связи в составе молекул боранов (бороводородов) совершают колебания с частотой 78 терагерц, близкой к частоте колебаний связи S — H. Так как же пахнут бороводороды? Такой информации в литературе по спектроскопии не нашлось, а сами вещества оказались такой редкостью, что Турин нигде не мог найти образец, чтобы понюхать самому. В статье одного из старых изданий он нашел упоминание о том, что бороводороды имеют отвратительный запах — то же можно сказать и о запахе серы. Таким образом, бораны — единственная на данный момент известная группа веществ, молекулы которых не имеют в своем составе атомов серы, но при этом обладают тем же запахом протухших яиц, что и сероводород. Одним из таких веществ является декаборан, молекулы которого состоят исключительно из атомов бора и водорода (химическая формула B₁₀H₁₄).

Итак, Турин совершил открытие: из тысяч веществ, запахи которых известны человеку, такую же вонь, как и сероводород, источает молекула с такой же частотой колебаний химической связи. Это звучало весьма убедительно, поэтому теория колебаний химических связей получила широкую поддержку среди исследователей механизмов обоняния. Как вы помните, парфюмеры на протяжении долгих десятилетий бились над тем, как подобрать молекулярный ключик к тайне запаха. Турину удалось совершить то, чего не сумел добиться ни один химик: предсказать запах вещества, опираясь лишь на теоретические рассуждения. Для химиков это было равносильно тому, как если бы кто-то предсказал запах духов, исходя из формы флакончика. Теория Турина также описывает весьма правдоподобный с биологической точки зрения квантовый механизм, благодаря которому биомолекула способна распознавать молекулярные колебания. Однако теоретически «правдоподобного» механизма недостаточно. Где же кроется истина?

Битва носов

Возникновение теории колебаний сопровождалось очевидными яркими удачами, например в случае с предсказанием запаха декаборана. И все же она сталкивается с некоторыми проблемами, близкими тем подводным камням, которые не смогла обойти теория замка и ключа, — наличием зеркальных изомеров (например, лимонена и дипентена) с различными запахами и одинаковыми спектрами колебаний. Турин решил проверить еще одно предположение, выдвинутое в рамках его теории. Как вы помните, гипотеза о возникновении эффекта туннелирования во время действия фермента (см. главу 3) проверялась путем замены обычного атома водорода на более тяжелые изотопы, например дейтерий, с целью использовать кинетический изотопный эффект. Турин провел похожий эксперимент с запахом ацетофенона, который описывается как «резкий сладкий аромат… напоминающий запах боярышника или цветущего апельсинового дерева». Турин приобрел весьма дорогостоящую партию ацетофенона, в которой каждый восьмой атом водорода в углерод-водородных связях был заменен дейтерием. Чем тяжелее атомы (и чем толще гитарные струны), тем ниже частота их колебаний. Частота колебаний обычной углерод-водородной связи находится в промежутке от 85 до 93 терагерц, однако в случае замены атома водорода дейтерием частота колебаний углерод-водородной связи снижается до 66 терагерц. Таким образом, «дейтеризованное» вещество отличается от вещества, где в связях с углеродом находятся обычные атомы водорода, спектром колебаний. Но отличается ли оно еще и запахом? Перед тем как осторожно понюхать оба вещества, Турин плотно закрыл двери своей лаборатории. Он был уверен в том, что «вещества пахли по-разному; дейтеризованная партия обладала менее сладким запахом, как будто более растворенным»[77]. Даже после тщательной очистки обоих веществ Турин был убежден, что партия с обычным водородом и партия с дейтерием имеют абсолютно разные запахи. Таким образом, он заявил, что его теория доказана.

Исследования Турина привлекли внимание инвесторов, вложивших немалые деньги в основание новой компании Flexitral, цель которой заключалась в том, чтобы успешно применить идеи о квантовых колебаниях молекул в производстве новых ароматов. Журналист Чандлер Берр написал книгу о том, как Турин шел к разгадке тайны молекулярных механизмов запаха[78], а компания BBC сняла документальный фильм о его исследованиях.

Тем не менее многих ученых было не так легко убедить в истинности данной теории, особенно приверженцев теории замка и ключа. Лесли Восшелл и Андреас Келлер из Рокфеллеровского университета (Нью-Йорк) повторяли пробы обычного и дейтеризованного ацетофенона на запах. Не полагаясь на тонко организованный нюх Турина, они пригласили 24 «наивных» испытуемых с целью выявить, чувствуют ли они разницу в запахах двух веществ. В результате был получен однозначный ответ: разницы нет. Статья Восшелла и Келлера была опубликована в журнале Nature Neuroscience в 2004 году[79] и сопровождалась мнением редактора, который отозвался о теории колебаний как о «не имеющей веса в научных кругах».

Однако, как подтвердит любой врач-исследователь, пробы, подразумевающие участие человеческих органов чувств, всегда сопряжены с рядом сложностей, таких как ожидания испытуемых или их опыт, предшествовавший эксперименту. Чтобы избежать подобных сложностей, команда ученых под руководством Эфтимиоса Скулакиса из Института Александра Флеминга (Вари, Греция) совместно с исследователями из МТИ, среди которых был и Лука Турин, решила провести эксперимент с более надежными испытуемыми — плодовыми мушками, выведенными в лабораторных условиях. Данный эксперимент по своему принципу напоминает эксперимент Габриэле Герлах с выбором потока воды коралловыми рыбками (мы говорили об этом эксперименте в самом начале данной главы). Ученые назвали этот эксперимент T-лабиринтом. Мушек запускали в лабиринт T-образной формы через узкий стержень и подгоняли к развилке, где они должны были решить, в какую сторону им лететь — направо или налево. С обеих сторон развилки в лабиринт был закачан ароматизированный воздух. Подсчитав количество мушек, выбравших то или иное направление, ученые надеялись определить, способны ли мушки почувствовать разницу в запахах, закачанных соответственно в левый и правый рукав лабиринта.

Для начала ученые выяснили, чувствуют ли мушки запах ацетофенона. Оказалось, что они чувствуют его прекрасно: достаточно было распылить крошечную капельку вещества в правом рукаве лабиринта, как почти все мушки послушно устремились на его фруктовый аромат. Затем ученые заменили обычные атомы водорода в молекулах ацетофенона на дейтерий. В ходе данного эксперимента ученые меняли на дейтерий не каждый восьмой атом водорода, а три, пять или сразу все восемь атомов. Каждый вариант проверялся отдельно, причем в одном из рукавов лабиринта всегда оставалась недейтеризованная форма вещества. Исследователей ожидали поразительные результаты. Когда в левом рукаве был распылен ацетофенон с тремя тяжелыми изотопами в молекуле, мушки забывали о своих предпочтениях и выбирали направление совершенно беспорядочно: то направо, то налево. Когда в правом рукаве распылялся дейтеризованный ацетофенон с пятью или восьмью замещенными атомами в молекуле, мушки решительно сворачивали налево, подальше от дейтеризованного запаха. Казалось, что они чувствуют разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой ацетофенона и им не очень-то нравится запах последней. Команда ученых ввела в эксперимент два дополнительных вещества. Выяснилось, что мушки легко различали на запах формы октанола с обычным водородом и дейтерием, однако не чувствовали разницу между соответствующими формами бензальдегида. Чтобы доказать, что при определении направления в лабиринте мушки пользуются именно обонянием, ученые провели такой же эксперимент с мушками-мутантами, у которых отсутствовали функциональные обонятельные рецепторы. Как и ожидалось, мушки-аносмики[80] не способны различать формы пахучих веществ с обычными атомами водорода и дейтерием.

Используя набор условных рефлексов Павлова, ученые научили мушек ассоциировать некоторые формы веществ с наказанием — легким ударом электрического тока, пропускаемого через лапки. Группе исследователей удалось провести еще один замечательный эксперимент, проверяющий состоятельность теории вибрации. Сначала ученые приучили мушек избегать веществ, в которых атом углерода был связан с дейтерием (частота колебаний данной химической связи равна 66 терагерцам). Затем они решили проверить, будут ли мушки избегать встречи с другими веществами, в молекулах которых окажутся другие химические связи, совершающие колебания с той же частотой. Проверка прошла успешно. Мушки, приученные избегать веществ, в молекулах которых есть связь углерод — дейтерий, также избегали встречи с группой веществ под общим названием «нитрилы», в молекулах которых углерод-азотная связь, несмотря на значительное отличие от углерод-водородной связи по структуре и химическим свойствам, совершает колебания с той же частотой. Результаты данного исследования были опубликованы в 2011 году в престижном научном издании Proceedings of the National Academy of Science[81], что значительно укрепило позиции теории колебаний, по крайней мере в объяснении механизма обоняния плодовых мушек.

Год спустя Скулакис и Турин присоединились к группе исследователей из Университетского колледжа Лондона с целью продолжить поиски ответа на деликатный вопрос о том, основан ли механизм обоняния человека на распознавании колебаний молекулярных связей. Вновь не полагаясь на тонкий нюх Турина, команда ученых пригласила для участия в пробах на запах 11 испытуемых. Сначала ученые подтвердили результаты, полученные Восшеллом и Келлером: испытуемые не различали по запаху обычный и дейтеризованный ацетофенон. Однако ученые предположили, что восьми атомов в углерод-водородной связи может быть недостаточно. Возможно, сигнал, поступающий от дейтеризованной формы ацетофенона, настолько слаб, что человеческий нос его просто не улавливает. Ученые решили исследовать восприятие людьми веществ, отличающихся более сложной структурой и имеющих запах мускуса (например, тех, что показаны на рис. 5.2).

В каждой молекуле подобного вещества содержится 28 атомов водорода, и все они могут быть заменены на дейтерий. На этот раз, в отличие от проб с ацетофеноном, все 11 испытуемых легко определили разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой мускуса. Возможно, люди и правда способны чувствовать разницу между молекулами, химические связи которых различаются спектром колебаний.

Физики принюхиваются

Одной из основных претензий, выдвигаемых против теории квантовых колебаний, является мнение о неубедительности ее теоретических оснований. Громче всех в наши дни это мнение опровергает команда физиков из Университетского колледжа Лондона, сунувших свои носы (простите мне этот каламбур) в квантовые расчеты, на которых строится теория туннелирования. Физики пришли к выводу о том, что теория «согласуется с лежащей в ее основе квантовой физикой и с тем, что нам известно о природе обоняния, при условии, что рецептор обладает определенными общими свойствами»[82]. Одна из исследователей, Дженни Брукс, даже предложила решение, казалось бы, неразрешимой проблемы зеркальных изомеров вроде лимонена и дипентена (см. рис. 5.3), характеризующихся одинаковыми спектрами колебаний и имеющих при этом совершенно разные запахи.

Если быть точными, первым к решению данной проблемы пришел преподаватель и научный руководитель Дженни, ныне покойный профессор Маршалл Стоунхэм, сформулировавший идею, которая позднее стала известна как модель пластиковой карточки. Стоунхэм был одним из ведущих британских физиков своего поколения. Сфера его научных интересов простиралась от вопросов ядерной безопасности до квантовых вычислений, биологии и даже музыки (он прекрасно играл на валторне). Теория Стоунхэма и Брукс представляет собой всего лишь доработку в терминах квантовой механики идеи Роберта Райта о том, что в механизме обоняния одинаково важная роль отводится как форме обонятельного рецептора, так и колебаниям связей внутри молекулы запаха. Ученые предположили, что связывающий карман обонятельного рецептора работает по тому же принципу, что и аппарат, считывающий пластиковые карточки. В пластиковую карту встроена магнитная полоса, обусловливающая возникновение электрического тока в считывающем аппарате. Однако далеко не любая карточка может быть вставлена в считывающий аппарат: она должна иметь определенный размер и толщину, магнитная полоса должна находиться с определенной стороны. Все эти условия должны быть соблюдены до использования, то есть до того, как вы начнете проверять, считывает машина вашу карточку или нет. Брукс совместно с коллегами предположила, что обонятельный рецептор работает по тому же принципу. Сначала, как утверждают ученые, молекула запаха должна войти в лево- или правосторонний хиральный связывающий карман, подобно тому как кредитка входит в щель считывающего аппарата. Итак, пахучие вещества с одинаковыми химическими связями, но различными формами молекул — лево- и правосторонней — будут «считываться» разными рецепторами. Только после того как молекула запаха попадает в подходящий рецептор, она может запустить тесно связанное с колебаниями электронное туннелирование и привести в действие обонятельный нейрон. И поскольку левосторонняя молекула захватывается левосторонним рецептором, ее запах будет сильно отличаться от запаха правосторонней молекулы, захватываемой правосторонним рецептором.

Обратимся в последний раз к нашей музыкальной аналогии, в которой гитара исполняет роль молекулы запаха, а струны выступают в качестве молекулярных связей, которые нужно дернуть, чтобы вызвать колебания. Эрик Клэптон и Джими Хендрикс, как вы помните, символизируют обонятельные рецепторы. Оба могут сыграть одни и те же молекулярные «последовательности нот», однако лево- и правосторонние молекулы должны захватываться соответствующими рецепторами. Иными словами, правша должен играть на правосторонней гитаре. Итак, несмотря на то, что лимонен и дипентен характеризуются одинаковым спектром колебаний, их молекулы захватываются разными рецепторами. Сигналы разных рецепторов обрабатываются разными отделами мозга, поэтому у нас и возникают разные образы запахов. Подобное сочетание теории замка и ключа и теории квантовой вибрации предлагает наконец описание такой модели обоняния, которая не противоречит результатам экспериментов.

Безусловно, факт, что новая модель согласуется с данными экспериментов, сам по себе не является доказательством того, что в основе обоняния лежит квантовый механизм. Как видим, любая теория обоняния, принимающая во внимание форму молекул и рецепторов, а также колебания молекулярных связей, находит экспериментальное подтверждение. Еще ни один эксперимент не доказал напрямую возникновение эффекта квантового туннелирования при обработке запаха. Однако на сегодняшний день механизм улавливания белками колебаний молекулярных связей наиболее правдоподобно и непротиворечиво объясняется только наличием квантового туннелирования «неупруго» рассеянных электронов.

Мы близки к разгадке тайны обоняния, и все же для решения данной головоломки нам не хватает важнейшего фрагмента, а именно описания структуры обонятельных рецепторов. Наличие данного фрагмента облегчило бы поиски ответов на ключевые вопросы, связанные с обонянием. Скроены ли связывающие карманы рецепторов под каждую отдельно взятую молекулу запаха? Захватываются ли зеркальные изомеры одними и теми же рецепторами? Делится ли молекула рецептора на область-донор и область-акцептор и идеально ли подходят эти области для неупругого туннелирования электронов? Несмотря на многолетний труд ведущих специалистов в области структурной биологии, ни одному из них пока не удалось выделить молекулу обонятельного рецептора и проверить экспериментальным путем, функционирует ли она на основе квантово-механического механизма, как это было возможно в случае ферментов (см. главу 3) и белков фотосинтетических пигментов (см. главу 4). Проблема заключается в том, что в обычном состоянии обонятельный рецептор заключен в клеточную мембрану, как медуза, плавающая в морской воде. Изъятие белка рецептора из мембраны будет иметь примерно такие же последствия, как и изъятие медузы из воды, — он, как и медуза, не сохранит своей первоначальной формы. До сих пор структура белков обоняния никем не описана, поскольку они продолжают скрываться в клеточных мембранах.

Итак, при всей противоречивости единственной теорией, способной объяснить принцип различения мушками и человеком запахов обычных и дейтеризованных веществ, является теория, в основе которой лежит описание квантово-механического явления — неупругого туннелирования электронов. Эксперименты последних лет показали, что не только мушки и люди, но и некоторые другие виды насекомых и даже рыб способны различать запахи химических связей с обычным водородом и дейтерием. Если квантовое обоняние обнаружено у таких разных существ, возможно, оно распространено шире, чем мы думаем. Люди, плодовые мушки, рыбы-клоуны и представители многих других видов, вероятно, используют способность электронов исчезать из одной точки пространства и тут же материализоваться в другой для получения важных «посланий материальной действительности», помогающих найти пищу, партнера для продолжения рода или путь домой.