Что такое запах: понятие, значение, виды. Из чего состоит парфюмерия Какие болезни приводят к нарушениям восприятия запаха

18.10.2023

Доктор технических наук В. МАЙОРОВ.

В последнее десятилетие ХХ века в науке о запахах произошла подлинная революция. Решающую роль сыграло открытие 1000 видов обонятельных рецепторов, связывающих молекулы пахучих веществ. Однако механизм передачи обонятельного сигнала в центральную нервную систему таит в себе еще много загадок.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Пути передачи информации о запахах в головной мозг.

Схематическое изображение обонятельного эпителия. Базальные клетки являются клетками-предшественниками обонятельных рецепторных нейронов.

Изображение реснички обонятельного нейрона, сделанное с помощью флуоресцентного красителя. На мембране ресничек расположены рецепторные белки, взаимодействующие с молекулами одорантов.

Модель молекулы обонятельного рецепторного белка мыши, к которому присоединена молекула одоранта - гексанола (пурпурного цвета).

Одна из моделей процесса преобразования сигнала внутри реснички обонятельного нейрона.

Схематическое изображение комбинаторных рецепторных кодов одорантов.

Электроольфактограмма (ЭОГ) - электрический колебательный сигнал, регистрируемый специальным электродом с участка внешней поверхности обонятельного эпителия крысы.

Чуть более четверти века назад в журнале "Наука и жизнь" (№ 1, 1978 г.) была опубликована статья "Загадка запаха". Ее автор, кандидат химических наук Г. Шульпин, справедливо отмечал, что современное ему состояние науки о запахах примерно такое же, как состояние органической химии в 1835 году. Тогда один из зачинателей этой науки, Ф. Велер, писал, что органическая химия представляется ему дремучим лесом, из которого невозможно выбраться. Но уже через четверть века А. М. Бутлеров, создав теорию химического строения вещества, сумел "выбраться из чащи". Шульпин выражал уверенность, что загадка запаха будет решена едва ли не быстрее, чем в случае органической химии.

И он оказался прав на все 100%! В последнее время произошел настоящий прорыв в понимании молекулярных основ обоняния. Разберем основные стадии восприятия запахов в свете современных представлений.

КАК ВОСПРИНИМАЕТСЯ ЗАПАХ

Проделаем простой опыт. Возьмем флакон с пахучей жидкостью, например духами, откроем пробку и понюхаем содержимое в спокойном ритме дыхания. Легко обнаружить, что мы ощущаем запах только во время вдоха; начинается выдох - запах исчезает.

При вдохе через нос воздух вместе с молекулами пахучего вещества (называемого обонятельным стимулом или одорантом) проходит в каждой из двух носовых полостей по щелевидному каналу сложной конфигурации, который образован продольной носовой перегородкой и тремя носовыми раковинами. Здесь воздух очищается от пыли, увлажняется и нагревается. Затем часть воздуха поступает в расположенную в верхней задней зоне канала обонятельную область, имеющую вид щели, покрытой обонятельным эпителием.

Общая поверхность, занимаемая эпителием в обеих половинках носа взрослого человека, невелика - 2 - 4 см 2 (у кролика эта величина равна 7-10 см 2 , у собак - 27 - 200 см 2). Эпителий покрыт слоем обонятельной слизи и содержит три типа первичных клеток: обонятельные рецепторы, опорные и базальные клетки. Влекомые воздухом пахучие молекулы проникают в носовую полость и переносятся над поверхностью эпителия. При нормальном спокойном дыхании вблизи обонятельного эпителия проходит 7 -10% вдыхаемого воздуха. Обонятельный эпителий имеет толщину приблизительно 150-300 мкм. Он покрыт слоем слизи (10-50 мкм), который молекулам одоранта предстоит преодолеть, прежде чем они провзаимодействуют со специальными сенсорными нейронами - обонятельными рецепторами.

Основная функция обонятельного рецептора состоит в выделении, кодировании и передаче информации об интенсивности, качестве и продолжительности запаха в обонятельную луковицу и специальным центрам в головном мозге. Эпителий в обеих носовых полостях у человека содержит приблизительно 10 млн обонятельных нейронов (у кролика - около 100 млн, а у немецкой овчарки - до 225 млн).

Как известно, нейрон состоит из тела и отростков: аксонов и дендритов. Нервный импульс с одной нервной клетки на другую передается с аксона на дендрит. Диаметр утолщенной центральной части обонятельного нейрона (сомы) 5-10 мкм. Дендритная часть в виде волокнистых отростков диаметром 1-2 мкм выходит к внешней поверхности эпителия. Здесь дендриты заканчиваются утолщением, от которого отходит пучок из 6-12 ресничек (цилий) диаметром 0,2-0,3 мкм и длиной до 200 мкм, погруженный внутрь слоя слизи (у кролика число ресничек в одном рецепторном нейроне составляет 30-60, а у собак достигает 100-150). Отходящее от сомы нервное волокно (аксон) имеет диаметр около 0,2 мкм и выходит к внутренней поверхности эпителия. Здесь аксоны от соседних нейронов объединяются в жгуты (филы), доходящие до обонятельной луковицы.

СЕМИОТИКА ОБОНЯНИЯ

Для того чтобы обонятельный сигнал был воспринят нейроном, молекула одоранта связывается со специальной белковой структурой, расположен ной в нейрональной клеточной мембране. Такая структура называется рецепторным белком. Используя методы молекулярной биологии, американские ученые Линда Бак и Ричард Аксель в 1991 году установили, что обонятельные нейроны у млекопитающих содержат около 1000 различных видов рецепторных белков (у человека их меньше - около 350). Признанием важности этого открытия стало присуждение им в 2004 году Нобелевской премии за исследования в области физиологии и медицины (см. "Наука и жизнь" № 12, 2004 г).

Каким образом рецепторы распределяются по нейронам: имеются ли отдельные представители этого семейства во всех обонятельных нейронах или каждый нейрон несет на своей мембране только один вид рецепторного белка? Как может мозг определить, какой из 1000 типов рецепторов подал сигнал? Имеющиеся данные позволяют сделать заключение о том, что на одном нейроне присутствует только обонятельный рецепторный белок одного вида. Нейроны с разными рецепторами обладают различной функциональностью, то есть в эпителии имеются тысячи различных типов нейронов. В этом случае проблема идентификации активированного запахом отдельного рецептора сводится к задаче выявления подавшего сигнал нейрона.

Принимая во внимание, что общее число обонятельных нейронов у человека около 10 млн, число обонятельных рецепторов одного типа исчисляется в среднем десятками тысяч.

Обонятельная система использует комбинаторную схему для идентификации одорантов и кодирования сигнала. Согласно ей один тип обонятельных рецепторов активируется множеством одорантов и один одорант активирует множество типов рецепторов. Различные одоранты кодируются различными комбинациями обонятельных рецепторов, причем увеличение концентрации стимула приводит к возрастанию числа активируемых рецепторов и к усложнению его рецепторного кода. В этой схеме каждый рецептор выступает в качестве одного из компонентов комбинаторного рецепторного кода для многих одорантов и как бы выполняет роль буквы своеобразного алфавита, из совокупности которых составляются соответствующие слова-запахи.

Минимальные структурные отличия молекул одорантов, например, по функциональной группе, по длине углеродной цепи, по пространственной структуре приводят к различному рецепторному коду. Для отличительного признака молекулы одоранта, способного изменить кодировку запаха, был предложен термин "одотоп" (odotope ), или детерминант запаха. Различные обонятельные рецепторы, которые распознают один и тот же одорант, могут идентифицировать различные его признаки-одотопы. Одиночный обонятельный рецептор способен "различать" молекулы, отличающиеся длиной углеродной цепочки всего лишь на один атом углерода, или молекулы, имеющие одинаковую длину углеродной цепочки, но отличающиеся функциональной группой. Учитывая, что в эпителии млекопитающих имеется приблизительно 1000 видов обонятельных рецепторов, можно полагать, что такая комбинаторная схема позволяет различить громадное число одорантов (даже человек различает до 10 000 запахов).

Полученные в последнее время результаты экспериментальных исследований свойств обонятельных рецепторных белков позволили создать на молекулярном уровне структурную модель спиральной молекулы обонятельного белка. Обонятельные рецепторные белки принадлежат к суперсемейству мембранносвязанных рецепторов. Они пересекают двухслойную липидную мембрану реснички семь раз. У содержащей 300-350 аминокислот молекулы рецепторного белка три наружные петли соединяются с тремя внутриклеточными петлями семью пересекающими мембрану трансмембранными участками.

НЕОБХОДИМАЯ СЛИЗЬ

Находящиеся в потоке воздуха молекулы одоранта, перед тем как достичь обонятельных рецепторных нейронов, должны пересечь обволакива ющий поверхность обонятельного эпителия слой слизи. Физиологические функции слоя слизи полностью до сих пор не выяснены. Не вызывает сомнения, что она создает гидрофильную оболочку для чувствительных и хрупких обонятельных рецепторов, выполняя защитную функцию. Ведь систему восприятия сигнала нужно защитить от воздействия внешней среды, то есть от молекул одорантов, среди которых могут быть достаточно опасные и химически активные вещества.

Слой слизи состоит из двух подслоев. Внешний, водный, имеет толщину примерно 5 мкм, а внутренний, более вязкий, - около 30 мкм. Реснички-цилии направлены наклонно к внешней поверхности слоя слизи. Они образуют своего рода сетку с нерегулярными ячейками, причем эта сетка размещена у поверхности раздела подслоев так, что основная часть поверхности ресничек (около 85%) оказывается расположен ной вблизи границы раздела.

Слой слизи содержит разнообразные растворимые в воде белки, значительную часть которых составляют так называемые гликопротеины. Благодаря разветвленной молекулярной структуре эти белки способны связывать и удерживать молекулы воды, образуя гель.

Другие виды белков, содержащихся в слизи, взаимодействуют с молекулами одорантов и тем самым могут оказывать влияние на восприятие и распознавание запахов. Эти белки подразделяются на два основных класса - одорант-связующие белки (OBP) и одорант-разрушающие ферменты.

ОВР относятся к семейству белков, имеющих складчатую бочкообразную структуру с внутренней глубокой полостью, в которую попадают маленькие молекулы гидрофильных (жирорастворимых) одорантов. Разные подвиды этих белков отличаются высокой избирательностью взаимодействия с одорантами различных химических классов.

Полагают, что OBP способствуют растворению одоранта и транспортируют его молекулы сквозь слой слизи, действуют как фильтр для разделения одорантов, могут облегчать связывание одоранта с рецепторным белком и даже очищать околорецепторное пространство от ненужных компонентов.

Кроме одорант-связующих белков в слизи обонятельного эпителия вблизи рецепторных нейронов обнаружены несколько видов одорант-разрушающих ферментов. Все эти ферменты запускают реакции превращения молекул одорантов в другие соединения. Образующиеся в результате этих реакций продукты также вносят свой вклад в восприятие запаха. В конечном итоге все поступающие в слой слизи молекулы одорантов быстро, практически одновременно с завершением вдоха, теряют свою "запаховую" активность. Так что обонятельная система при каждом вдохе получает новую информацию от свежих порций одоранта.

ОБОНЯНИЕ НА УРОВНЕ МОЛЕКУЛ

Многие свойства системы восприятия запахов можно объяснить на молекулярном уровне. Молекула одоранта встречает на поверхности слизи, покрывающей обонятельный эпителий, молекулу одорант-связующего белка, которая связывает и переносит молекулу одоранта через слой слизи к поверхности реснички обонятельного нейрона. В ресничках осуществляется основной процесс передачи обонятельного сигнала. Его механизм достаточно типичен для многих видов взаимодействий физиологически активных веществ с рецепторами нервных клеток.

Молекула одоранта прикрепляется к определенному обонятельному рецептору (R). Между процессом связывания молекулы одоранта с рецептором и передачей обонятельного сигнала в нервную систему лежит сложный каскад биохимических реакций, проходящих в нейроне. Связывание молекулы одоранта с рецепторным белком активирует так называемый G-белок, расположенный на внутренней стороне клеточной мембраны. G-белок в свою очередь активирует аденилатциклазу (AC) - фермент, преобразующий внутриклеточный аденозинтрифосфат (ATP) в циклический аденозинмонофосфат (cAMP). А уже cAMP активирует другой мембранносвязанный белок, который называется ионным каналом, поскольку открывает и закрывает вход заряженным частицам внутрь клетки. Когда ионный канал открыт, в клетку проникают катионы металлов. Таким способом меняется электрический потенциал клеточной мембраны и генерируется электрический импульс, передающий сигнал с одного нейрона на другой.

Несколько молекулярных стадий передачи внутриклеточного сигнала обеспечивают его усиление, в результате чего небольшого числа молекул одоранта становится достаточно для генерирования нейроном электрического импульса. Такие усилительные каскады обеспечивают большую чувствительность системы восприятия запахов.

Итак, активация рецепторного белка молекулой одоранта в конечном счете приводит к генерированию электрического тока в обонятельном рецепторном нейроне. Ток распространяется по дендриту нейрона в его соматическую часть, где возбуждает выходной электрический импульс. Этот импульс передается по нейрональному аксону в обонятельную луковицу.

Одиночный электрический сигнал-импульс на выходе имеет длительность не более 5 мс и пиковую амплитуду около 100 мкВ. Почти все нейроны генерируют импульсы и при отсутствии воздействия одоранта, то есть обладают спонтанной активностью, называемой биологическим шумом. Частота этих импульсов меняется в диапазоне от 0,07 до 1,8 импульса в секунду.

ЛУКОВИЧНАЯ НЕЙРОСЕТЬ

Обонятельные рецепторные нейроны распознают громадное число разнообразных молекул пахучих веществ и посылают информацию о них через аксоны в обонятельную луковицу, служащую первым центром обработки обонятельной информации в головном мозге. Парные обонятельные луковицы представляют собой продолговатые образования "на ножках". Отсюда начинается путь обонятельного сигнала к полушариям мозга. Аксоны обонятельных нейронов оканчиваются в обонятельной луковице разветвлениями в сферических концентраторах (диаметром 100-200 мкм), называемых гломерулами. В гломерулах осуществляется контакт между окончаниями аксонов обонятельных нейронов и дендритами нейронов второго порядка, которыми являются митральные и пучковые клетки.

Митральные клетки - самые крупные нервные клетки, выходящие из обонятельной луковицы. Пучковые клетки меньше митральных, но функционально с ними схожи. Представление о количестве нервных клеток у млекопитающих могут дать характеристики обонятельной системы кролика. В ней имеется по 50 миллионов обонятельных рецепторных нейронов справа и слева (ровно в десять раз больше, чем у человека). Аксоны обонятельных рецепторов распределены между 1900 гломерулами обонятельной луковицы - примерно по 26 000 аксонов на гломерулу. Дендритные окончания 45 000 митральных и 130 000 пучковых клеток получают сигналы от аксонов в гломерулах и передают их из обонятельной луковицы в центры обоняния в головном мозге. Около 24 митральных и 70 пучковых клеток получают информацию от аксонов в каждой гломеруле. У человека около 10 млн аксонов обонятельных нейронов распределяются по 2000 гломерул обонятельной луковицы.

Все аксоны одной популяции обонятельных нейронов сходятся на две гломерулы, зеркально расположенные по разные стороны двумерного поверхностного слоя обонятельной луковицы. В зависимости от содержания передаваемого сигнала гломерулы активируются различным образом. Совокупность активированных гломерул называется картой запаха и представляет своего рода "слепок" запаха, то есть она показывает, из каких пахучих веществ состоит воспринимаемый обонятельный объект.

Механизм активации гломерул до сих пор не выяснен. Усилия исследователей направлены на то, чтобы выяснить, каким образом многообразие одорантов воспроизводится в двумерном слое гломерул на поверхности обонятельной луковицы. Кстати, эти отображения имеют динамический характер - они постоянно меняются в ходе восприятия запаха, усложняя научную задачу.

Обонятельная луковица - это большая многослойная нейросеть для пространственно-временнoй обработки отображения запаха в гломерулах. Ее можно рассматривать как совокупность множества микросхем с большим количеством связей, со взаимной активацией и ингибированием активности нейронов. Выполняемые нейронами операции выделяют характерные свойства карты запаха.

От обонятельной луковицы аксоны митральных и пучковых клеток передают информацию в первичные обонятельные участки коры головного мозга, а затем в высшие ее участки, где формируется осознанное ощущение запаха, и в лимбическую систему, которая порождает эмоциональную и мотивационную реакцию на обонятельный сигнал.

Свойства обонятельных зон коры головного мозга позволяют формировать ассоциативную память, которая устанавливает связь нового аромата с отпечатками воспринятых ранее обонятельных стимулов. Полагают, что процесс идентификации одоранта включает сравнение получающегося отображения с его описанием в семантической памяти. В случае совпадения отпечатка и памяти о запахе происходит какой-либо ответ (эмоциональный, двигательный) организма. Процесс этот осуществляется очень быстро, в течение секунды, и информация о совпадении после ответа сразу сбрасывается, поскольку мозг готовит себя к решению следующей задачи восприятия запаха.

ЗАГАДКИ ЗАПАХОВ

То, о чем говорилось в предыдущих разделах, относится пусть к самому сложному, основополагающему, но начальному разделу науки о запахах - к их восприятию. Не раскрыт механизм взаимодействия обоняния с другими системами восприятия, например со вкусом (см. "Наука и жизнь" № , с. 16-20). Ведь известно, что если человеку зажать ноздри, то при дегустации даже хорошо известных вкусовых пищевых продуктов (например - кофе) он не в состоянии точно определить, что он пробовал. Достаточно разжать ноздри - и вкусовые ощущения восстанавливаются.

С молекулярной точки зрения пока непонятно, в каких единицах измерять интенсивность запаха и от чего она зависит, что такое качество запаха, его "букет", чем отличается один запах от другого и как охарактеризовать это отличие, что происходит с запахом при смешивании различных одорантов. Оказывается, что независимо от вида одорантов и уровня подготовленности даже опытный эксперт не может определить все составляющие смесь компоненты, если их больше трех. Если же смесь содержит более десяти одорантов, то человек не в состоянии идентифицировать ни одного из них.

Остается еще множество вопросов, касающихся механизмов и видов воздействия запахов на эмоциональное, психическое и физическое состояния человека. В последнее время на эту тему появилось немало спекуляций, чему поспособствовал вышедший в 1985 году роман П. Зюскинда "Парфюмер", более восьми лет прочно занимавший место в первой десятке бестселлеров на западном книжном рынке. Фантазии на тему чрезвычайной силы подсознательного воздействия ароматов на эмоциональное состояние человека обеспечили этому произведению огромный успех.

Однако художественный вымысел постепенно получает обоснование. Недавно в периодической печати появились сообщения о том, что американские военные "парфюмеры" разработали на редкость дурно пахнущую бомбу, способную не только вызвать отвращение, но и разогнать солдат противника или агрессивно настроенную толпу.

Общественные аллюзии на парфюмерные темы подстегнули всеобщий интерес к искусству ароматерапии. Расширилось использование ароматов в общественных местах, таких, как офисы, торговые залы, холлы гостиниц. Появились даже специальным образом ароматизированные товары, улучшающие настроение. Возникла такая отрасль рыночной экономики, как аромамаркетинг - "наука" о привлечении клиентов с помощью приятных запахов. Так, запах кожи навевает покупателю мысли о дорогом качественном товаре, аромат кофе побуждает к покупкам для домашнего ужина и т.д. Каким образом запахи формируют в головном мозге сигналы, побуждающие человека совершать покупки? Ученым предстоит совершить еще немало открытий, прежде чем ответить на этот и многие другие вопросы и отделить мифы о запахах от реальности.

Литература

Лозовская Е., канд. физ.-мат. наук. // Наука и жизнь, 2004, № 12.

Майоров В. А. Запахи: их восприятие, воздействие, устранение. - М.: Мир, 2006.

Марголина А., канд. биол. наук. // Наука и жизнь, 2005, № 7.

Шульпин Г., канд. хим. наук. Загадка запаха // Наука и жизнь, 1978, № 1.

Запахи - удивительный молекулярный конструктор природы. Два колечка с ветвистыми боковыми группами? Это тополь распускается. Очень похожие колечки, но с двойными связями и меньшим количеством «веточек»? Машина проехала. Мир подаёт нам химические сигналы, и надо уметь распознать их. Предлагаем прогуляться по весеннему городу и узнать, что скрывается за самыми распространёнными в эту пору ароматами.

1. Тополевые почки

Лучший весенний запах, пока не появились цветы, - тополевые почки. Аромат смолистый, бальзамический - кстати, англоязычные травники называют масляный экстракт тополевых почек Balm of Gilead, в честь библейского гилеадского бальзама, благоуханного и целебного. Из чего делали тот, точно неизвестно, но едва ли он пах приятнее. Использовать в лекарственных сборах городские растения не стоит: в весеннем воздухе мегаполисов, как мы увидим дальше, содержатся не только полезные компоненты. Но можно собрать почки с обломанных веток (а тополь - очень ломкое дерево, чуть ветер посильнее, и вся дорожка покрыта хворостом), высушить и сделать душистое саше, тряпичный мешочек с ароматным содержимым. Весна пройдёт - запах останется.

Чем пахнет тополь? Прежде всего сесквитерпенами - углеводородами специфического строения, а также их спиртами сесквитерпенолами (напомним, спирт с точки зрения органической химии - это углеводород плюс ОН-группа). Эти соединения отвечают за многие растительные запахи и в большинстве своём обладают противовоспалительными и бактерицидными свойствами. Сесквитерпенолы тополевой смолы - это, например, эвдесмолы; у (+)-альфа-бисаболола запах несильный, цветочно-перечный, зато, как пишут журналы, очень целебный: в перечне его достоинств есть даже противораковая активность. Сесквитерпены запаха тополя - гамма-кадинен, селинены.

2. Бензин

Мы, горожане, токсикоманы. Многим из нас, судя по результатам опросов, нравится нюхать всякую гадость. Заполненные машинами улицы нам дом родной, а запах бензина кажется приятным и даже успокаивающим, хотя, конечно, есть и те, кто его ненавидит до тошноты. Для экспертов в этом деле нет единого «запаха бензина» - разные его сорта, произведённые разными компаниями в разных частях света, благоухают по-разному. Например, «зимние» бензины, которые у нас в стране применяются там, где зимы по-настоящему холодные, содержат больше легкоиспаряющихся фракций, чем «летние»: это облегчает запуск двигателя при низких температурах. На автомобильных форумах советуют избегать бензина, который имеет «неприятный» запах, - хорошее топливо, понятно, для автолюбителя всегда пахнет замечательно.

С точки зрения простых смертных этот запах образуют ароматические вещества. Для химика «ароматический» означает «имеющий в структуре одно или несколько бензольных колец», но эти конкретные соединения ароматические и в изначальном смысле слова.

Что до выхлопных газов, их неприятный запах может быть вызван сероводородом, который образуется из небольшого количества серы в бензине. Но если бензин хороший и двигатель работает нормально, совсем уж отвратительной вони быть не должно.

3. Мокрая собака

Аромат собаки, которая попала под дождь или наплавалась в пруду за утками, раскрывается в полной мере благодаря распространению душистых веществ в виде аэрозолей, а производят эти вещества бактерии и дрожжи - обитатели собачьей шерсти. Прежде чем говорить «какой кошмар», давайте вспомним, что на коже человека также обитают и дрожжи, и бактерии, и неповторимый запах волос любимой… ладно, вы поняли.

Ввиду невысокой практической значимости мокрых собак их запах изучен менее подробно, чем запах жареного мяса или свежего хлеба. Но кое-какие результаты есть. Пилотное исследование провели сотрудники компании, производящей товары для животных, - надо же понимать, что именно должен отмывать собачий шампунь.

Многие из этих веществ по отдельности пахнут приятно. Горький миндаль (бензальдегид), цветы и фрукты (фенилацетальдегид, ацетальдегид, 2-нонанон), жареные орешки (2-метилбутаналь), грибы (1-октен-3-ол), и даже запах фенола не все считают отталкивающим. Правда, п-крезол и диметилтрисульфид- вещества бесспорно вонючие, у 2,3-диэтил-5-метилпиразина землистый запах. Сумма же этих слагаемых безошибочно определяется как «пахнет псиной». Ладно, потерпим, животное тоже имеет право на весенние радости.

А вот мои знакомые короткошёрстные собаки пахнут преимущественно 1-октен-3-олом - фенолом и крезолом почти не воняют.

4. Кошачьи метки

Цитируя Сашу Чёрного: «Весенний брак! Гражданский брак! Спешите, кошки, на чердак!» Хотя в современных российских городах они больше любят подвалы. Проходишь мимо подъезда, поворачиваешь в арку - и сразу понимаешь: Кот жив.

Моча кошек и в особенности котов содержит сильно пахнущее вещество 3-меркапто-3-метилбутан-1-ол (ММБ). Возникает оно при распаде почти лишённого запаха фелинина. Распад идёт медленно, поэтому запах «расцветает» постепенно; если субстанция попала, скажем, на ботинок, масштаб катастрофы осознаётся не сразу. То же самое вещество придаёт запах и моче многих диких кошек, до рыси включительно.

Вопреки распространённому мнению, ни фелинин, ни ММБ не имеют отношения к кошачьим аллергенам. Аллергию на кошек вызывают белки, содержащиеся в секрете сальных желёз, слюне и других выделениях организма животного. Кстати, и к кошачьим феромонам фелинин и ММБ относят лишь предположительно. Про другие, менее ароматные вещества доказано, что они вызывают у кошек характерное поведение вроде валяния с урчанием, про эти - нет. Но ММБ, бесспорно, помогает кошкам и особенно котам обозначить границы территории. Даже представителям других видов всё понятно. Пожалуй, единственное, что можно сказать в оправдание этого запаха: его не выносят мыши и крысы, они всячески стараются избегать мест, маркированных ММБ.

5. Первые капли дождя

Поэты и писатели не раз отмечали, что первые крапинки дождя в сухой пыли пахнут по-особенному: не водной свежестью и не обычной мокрой землёй, а чем-то таким волшебным. У этого запаха даже есть имя собственное - петрикор (от греч. petra - камень и ichor - жидкость, которая течёт в жилах богов). Слово придумали Изабель Бир и Родерик Томас; они предполагали, что этот запах как-то влияет на прорастание семян: то ли замедляет его, то ли ускоряет. Статья об этом вышла в журнале Nature за 1964 год. Гипотеза неплохая: зря, что ли, после первого дождя тут же всходит трава?

Надеюсь, мы никого не шокируем сообщением, что этот особенный запах создают почвенные бактерии актиномицеты. Они синтезируют вещество под названием геосмин. (Между прочим, он относится к терпеноидам и немного похож на сесквитерпены.) Геосмин накапливается в почве, а когда вода пропитывает землю, из неё вырываются пузырьки воздуха, лопаются и выбрызгивают раствор геосмина в виде аэрозоля. Нюхать это вещество приятно, а вот пить воду, пахнущую геосмином, - не очень: её запах воспринимается как землистый. Может, потому мы улавливаем запах геосмина в концентрации всего пять частей на триллион, что брезговать мутной водой полезно для выживания? Высокая чувствительность нашего носа к этому веществу хоть как-то страхует от дизентерии и прочих неприятностей. Кстати, геосмин придаёт специфический вкус свёкле и пресноводным рыбам: сомам и карпам. Но разрушается в кислой среде, так что уксусная заправка для винегрета и кислый маринад для рыбы поправят дело.

А начнётся первая в году гроза, и к запаху геосмина добавится запах озона О 3: он образуется из кислорода О 2 под действием электрических разрядов, и нисходящие потоки воздуха приносят его к земле.

6. Шашлык

О запахе шашлыка на открытом воздухе мы подробно и с чувством писали в «Молекулярной кухне» («КШ» № 5 (07), 2015). Запах сырого мяса не слишком выразителен, но оно содержит вещества, которые при высоких температурах образуют летучие компоненты с соблазнительным ароматом. Когда мясо жарят, в нём идёт реакция Майяра: аминокислоты взаимодействуют с сахарами. Продукты этой реакции - сотни летучих веществ. Оттенки запаха, естественно, зависят и от состава маринада, и от того, что мы жарим: говядину, баранину или курятину. Видовые особенности шашлычных ароматов определяются в том числе составом жиров, но, очевидно, не только. Так или иначе, соотношения некоторых летучих компонентов различаются очень сильно. Например, жареная говядина в большей степени пахнет 12-метилтридеканалем, в аромате курятины или свинины его существенно меньше.

Да и сам по себе запах древесного дыма не только делает вкуснее шашлык, но и напоминает о каникулах и приключениях.

7. Запах булочной

Сказочный аромат свежевыпеченного хлеба в весеннем воздухе… Тут, как и в случае шашлыка, важную роль играет реакция Майяра, а также карамелизация сахаров. Некоторые компоненты запаха образуются благодаря дрожжевому брожению - выпечка из бездрожжевого теста пахнет немного иначе.

Карамелизация даёт нам мальтол и изомальтол, сладковатый запах свежей корочки. Названия происходят от английского malt - солод: эти вещества также были найдены в обжаренном солоде, то есть пророщенных зёрнах злаков, из которых делают пиво и прочие напитки. Ключевым же ароматом дрожжевого белого хлеба считается 2-ацетил-1-пирролин. Он, как и 2-ацетилтетрагидропиридин, - продукт реакции Майяра, взаимодействия сахаров с белками. Кстати, 2-ацетил-1-пирролин определяет запах только что сваренного риса, особенно сортов басмати и жасмин. Альдегиды (Е)-2-ноненаль и (Е, Z)-2,6-нонадиеналь отвечают за запах мякиша; что интересно, ими же пахнет свежий огурец. Не знаю точно насчёт любимой петербуржцами рыбки корюшки, которая, как известно, тоже пахнет огурцами, - надо бы сделать этой рыбке газовую хроматографию с масс-спектрометрией. Но, скажем, в аромате свежеприготовленной форели (Е, Z)-2,6-нонадиеналь присутствует. Диацетил имеет маслянистый запах. А вот концентрация 3-метилбутаналя и метионаля выше в запахе свежего ржаного хлеба. Что-то есть захотелось…

8. Варёная кукуруза

Простой и полезный российский стритфуд - варёная кукуруза, ещё тёплая, сочная, натёртая солью. За её аромат отвечают на удивление простые и небольшие молекулы: диметилсульфид, этанол, ацетальдегид, сероводород, этантиол, метантиол, ацетон. Есть и менее летучие компоненты: ацеталь, диметилпиразин, диметилэтилпиразин, но правит бал вот эта низкомолекулярная мелочь. Диметилсульфид - наиболее важный компонент запаха кукурузы, как свежей, так и варёной. Запах этого вещества в чистом виде чаще описывают как «капустный»; нехимик, вероятно, назвал бы его просто вонючим. А вот при сильном разбавлении получается кукуруза, диметилсульфид даже используют как пищевой ароматизатор. Он участвует в формировании запаха варёной свёклы, капусты, спаржи и морепродуктов; диметилсульфидом пахнут крабовые палочки. Этантиол, также известный как этилмеркаптан, добавляют в бытовой газ как одорант, чтобы хозяева не проморгали утечку: люди чувствуют его запах в очень маленьких концентрациях. То, что мы именуем «запахом газа», - это он и есть.

В запахе попкорна появляются вещества, похожие на «хлебные», в частности тот самый 2-ацетил-1-пирролин, который мы обоняли в хрустящей корочке, и 2-фурфурилтиол - взятый в чистом виде, он пахнет жареным кофе. Маслянистый запах ароматизированного попкорна может быть обусловлен диацетилом.

9. Шпалы

Весна - время путешествий, и кто же не любит запах поезда! Хотя на самом деле это запах не вагонов, а железнодорожных путей. Рельсы лежат на шпалах, шпалы пропитаны креозотом, который защищает дерево от гниения. А креозот - то самое вещество, по следу которого, как говаривал Шерлок Холмс, хорошо обученная собака пойдёт хоть на край света. Запах действительно мощный. Строить из дерева, пропитанного креозотом, жилые домики - плохая идея: аромат его силён, а среди летучих веществ есть вредные для здоровья. Однако всё новые и новые умельцы задают вопросы на химических форумах: построил сарайчик из старых шпал, он воняет - как избавиться от запаха?

Креозот - продукт перегонки древесного или каменноугольного дёгтя, и нетрудно увидеть его родство с запахом дыма. Казалось бы, ничего хорошего в нём нет, но сила ассоциаций превращает этот запах в один из самых любимых, как показывают опросы. Креозот - купе и стук колёс - проснуться в другом городе.

на «Кота Шрёдингера»

Очень давно, когда я еще жила в Москве, мне часто дарили розы. Их можно было купить даже зимой, в мороз. Продавцы тогда прятали все цветы в стеклянные «аквариумы» и в них жгли для обогрева свечи. Розы были бордовые, на высоких, толстых и очень колючих стеблях. И форма бутона, и цвет – все было прекрасно, и стояли розы в вазе на удивление долго. До полного совершенства им не хватало только одного маленького, но важного штриха – запаха.

Через несколько лет, уже совсем в другой стране, мне вновь пришлось столкнуться с розами. Они предстали передо мной совсем в иной роли – объекта исследования. Я искала работу и пришла в Иерусалимский университет на факультет сельского хозяйства, где мне предложили делать диссертацию на тему «Геномика лепестков роз: идентификация и изучение новых генов, формирующих запах роз». Тема звучала весьма романтично и мне понравилась. Итак, можно ли вернуть розам их нежный аромат?

Что такое цветочный запах?

Большинство растений выделяют вещества, способные воздействовать на рецепторы человека, вызывая определенные обонятельные ощущения. Химическое различие между приятным и неприятным запахом может быть очень незначительным. При этом композиции одних и тех же веществ, взятых в различных концентрациях, могут ассоциироваться с совершенно различными запахами (запахом называют не только обонятельное ощущение, но и композиции пахучих веществ). Вещества, обладающие запахом, являются легколетучими, липофильными, легко диффундируют через клеточную мембрану и испаряются в атмосферу. Известно уже более 1 тыс. летучих веществ (ЛВ), синтезируемых растениями, и это количество увеличивается, поскольку появляются новые, более чувствительные методы анализа ЛВ.

ЛВ синтезируются не только различными частями цветка, но и вегетативными частями растения (листьями, корнями и стеблем). Запахом могут обладать также и плоды растения. Спектр выделяемых веществ изменяется в зависимости от стадии развития, времени суток, а также от воздействий на растение в целом (например, стресс или повреждение).

ЛВ растений относят к группе вторичных метаболитов, названных так потому, что они, в отличие от первичных метаболитов, не являются универсальными веществами, необходимыми для жизнедеятельности всех растений. Вторичные метаболиты служат для привлечения насекомых-опылителей; многие из них синтезируются в ответ на повреждение растения и токсичны для патогенных бактерий, грибов и других вредителей; известны также вещества, которые могут подавлять рост соседних растений. В плодах вторичные метаболиты играют роль консервантов и, кроме того, являются сигналом (вкус, цвет, запах) для животных, употребляющих данные плоды в пищу и осуществляющих таким образом распространение семян. Некоторые специфические вещества синтезируются растениями в ответ на стресс, например в условиях засухи или повышенного содержания в почве солей.

Химический состав запаха

Несмотря на все разнообразие растительных ЛВ, большинство их относится к трем основным группам: терпены, фенилпропаноиды/бензеноиды и производные жирных кислот.

Терпены являются производными изопрена и в зависимости от количества изопреновых звеньев подразделяются на моно-, ди- (гиббереллины), три- (стероиды), сескви- и тетратерпены (каротиноиды). Всего известно более 20 тыс. терпенов, более половины которых обнаружены в растениях. Не все терпены летучи, и в формировании запаха участвуют в основном моно-, ди- и сесквитерпены. Большинство растительных терпенов – вторичные метаболиты, но терпены гиббереллин и абсцизовая кислота – фитогормоны и относятся к первичным метаболитам. Предшественником всех растительных терпенов является изопентенилдифосфат, который синтезируется как в цитоплазме, так и в пластидах.

Фенилпропаноиды (включая и бензеноиды) являются производными аминокислоты фенилаланина. Путь биосинтеза фенилпропаноидов пока не полностью изучен. Ключевым ферментом биосинтеза фенилаланина является фенилаланинаммониумлиаза, а дальнейшие превращения включают в себя реакции гидроксилирования, метилирования и ацетилирования.

Летучие спирты и альдегиды образуются в результате деградации фосфолипидов и жирных кислот под действием липоксигеназ, гидропероксидаз, изомераз и дегидрогеназ.

Как собрать запах?

Для изучения химического состава запаха используются в основном различные хроматографические методы. Особенно часто применяются газовая или жидкостная хроматография в сочетание с масс-спектрометрией.

Уже в Древнем Египте использовали ароматические масляные экстракты, которые изготовляли из различных трав и цветов. (Этот метод прекрасно описан в нашумевшем романе П.Зюскинда «Парфюмер».)

В современном варианте в качестве растворителя используют спирт, хлороформ и некоторые другие органические растворители. Существенным недостатком полученного экстракта является то, что кроме пахучих веществ в него попадают другие соединения, причем в концентрациях, превышающих концентрации ЛВ в десятки, а иногда и сотни раз. Анализ такой смеси хроматографическими методами – задача весьма трудная.

Для изучения запаха больше подходят методы, позволяющие уловить и сконцентрировать именно легколетучие вещества, так называемый «анализ свободного пространства». Так, например, метод твердофазной микроэкстракции (SPME) использует свойство некоторых полимеров поглощать запахи. Тонкий стержень из такого полимерного материала помещают в плотно закрытый сосуд вместе с растением и выдерживают 10–30 мин. Затем стержень вынимают и помещают в инжектор хроматографической колонки, где он нагревается до температуры 200–250 °С. При нагреве адсорбированные полимером молекулы высвобождаются и попадают в колонку, где тем или иным способом подвергаются фракционированию. Метод этот хорош своей высокой чувствительностью, а также быстротой и простотой использования. Однако есть у него и определенные недостатки: из-за избирательности процесса адсорбции нельзя судить о количествах компонентов в анализируемой смеси, кроме того, на полимер могут адсорбироваться и совсем посторонние молекулы, например те, которые находились в помещении, где проводился анализ.

Название другого метода переводится с английского как «ловушка» (trapping). Метод заключается в том, что растение или какую-то его часть помещают в закрытый сосуд, через который с помощью насоса медленно прокачивается воздух. Подача воздуха осуществляется через фильтр. Запах адсорбируется на другом фильтре, который находится на выходе из сосуда. Для сбора запаха используют специальные полимеры. После окончания эксперимента полимер промывают растворителем (например, гексаном) и таким образом получают «экстракт чистого запаха». Этот метод позволяет судить не только о качественном, но и о количественном составе запаха, а также сравнивать состав запахов, выделяемых одним и тем же растением в различные промежутки времени (например, днем и ночью).

На каких растениях изучают запах?

В течение многих лет исследование запаха сводилось в основном к изучению химической структуры пахучих веществ и налаживанию их синтеза в промышленных количествах для применения в косметической и пищевой промышленности. При этом биохимические пути синтеза и механизмы регуляции выделения ЛВ до недавних пор не были обьектом пристального изучения. Возможно, основной причиной такого невнимания было отсутствие методов, позволяющих регистрировать и определять компоненты запаха in vivo . Кроме того, использование с этой целью наиболее популярного модельного растения – резушки Таля (Arabidopsis thaliana ), родственника горчицы и капусты, до недавнего времени казалось невозможным.

Для молекулярных биологов арабидопсис представляет собой почти идеальную модель: высокоплодовитое миниатюрное растение с небольшим по размеру геномом (5 хромосом общим размером 125 млн пар оснований) и коротким (около 6 недель от прорастания до зрелого семени) жизненным циклом является удобным для классического мутационного и генетического анализа. Геном резушки был полностью секвенирован еще в 2000 г.

Метод трансформации – внедрение в растение чужеродных генов – для арабидопсиса значительно проще и эффективнее, чем для всех остальных растений. Существует база данных (http://www.arabidopsis.org/), в которой можно найти очень много информации об этом растении, а также заказать семена. К сожалению, запах у арабидопсиса слабый, поэтому только в 2003 г. ученым удалось проанализировать его состав методом твердофазной микроэкстракции и установить, что более 60% выделяемых арабидопсисом летучих веществ относится к группе терпеноидов. Таким образом, многие важные составляющие запахов других растений, а следовательно и гены, регулирующие выработку этих веществ, у арабидопсиса отсутствуют.

При сравнении геномных данных (см. сайт http: //plantta.tigr.org/cgi-bin/plantta_release.pl) становится понятно, что и другие интенсивно изучаемые растения – рис, пшеница, картофель, помидоры, кукуруза – не могут быть хорошими моделями для экспериментов с запахом. Для исследования ЛВ используются менее «популярные», но сильнее пахнущие растения: кларкия Бревери (Clarkia brewer ), львиный зев (Antirrhinum majus ), садовая петуния (Petunia hybrida ), клубника (Fragaria ananassa ).

В последние годы модным стал глобальный подход, позволяющий работать с такими непопулярными (как биомодели) растениями и получивший название OMICS, которое происходит от терминов «геномика» (genomics), «транскриптомика» (transcriptomics), «протеомика» (proteomics) и «метаболомика» (metabolomics). Геномика позволяет изучить геном организма в целом, транскриптомика определяет, какие гены экспрессируются в заданный момент времени, протеомика дает информацию о белках, а метаболомика составляет карты путей метаболизма. Сопоставление этих данных дает возможность идентифицировать новые гены и определить функции уже известных.

Можно ли вернуть улетучившийся запах?

Садовые розы (Rosa hybrida ) обладают сильным запахом, химический состав которого включает весь спектр растительных ЛВ: терпены, фенилпропаноиды и производные жирных кислот. Интересно, что большинство роз, предназначенных для срезания, хотя и не увядают долго, не обладают классическим розовым ароматом, которым обладают садовые розы. В процессе селекции наиболее устойчивых сортов куда-то исчез запах!

Казалось бы, вернуть запах не так уж сложно. Найти соответствующий ген, трансформировать его в растение и... К сожалению, все не так просто. Методы трансформации многих «немодельных» растений еще не разработаны, к их числу относятся и розы.

Часто лимитирующим фактором в биосинтезе тех или иных веществ служит малое количество молекул-предшественников, из которых в одну или несколько стадий синтезируется конечный продукт. В таком случае избыточная экспрессия любого гена, участвующего в превращении предшественника в продукт, не приводит к увеличению количества последнего.

Биосинтез каждого компонента запаха – многоступенчатый процесс, осуществляемый различными ферментами. Поэтому внедрения в геном растения одного работающего гена чаще всего недостаточно для изменения запаха в целом. Иногда, даже имея дело с одноступенчатым биохимическим превращением, не удается достичь желаемого эффекта. Например, монотерпен линалол образуется из изопрена под действием фермента линалолмонотерпенсинтазы и является одним из важных компонентов запаха. Внедрение в геном петунии гена линалолмонотерпенсинтазы не привело к изменению содержания линалола, выделяемого растением. Оказалось, что линалол в петунии образуется, но претерпевает реакцию гликозилирования, а гликозилированный линалол не является летучим. В запахе гвоздики, трансформированной тем же геном, количество линалола повысилось и составило 10% от общего количества выделяемых ЛВ. Однако на обонятельном восприятии запаха наличие этого нового компонента никак не отразилось.

То же произошло и с геном сесквитерпенсинтазы гермакрена D, клонированным из роз и трансформированным в петунию. В цветках петунии дикого типа присутствует природный гермакрен D, что подтверждает наличие необходимого субстрата. Однако у трансформированных растений не было обнаружено значимого увеличения концентрации выделяемого гермакрена D. Избыточная экспрессия в петунии другого гена, клонированного из роз, ацетилтрансферазы (фермента, преобразующего спирт в ацетат), позволила изменить содержание ацетатов в запахе трансформированных растений.

Более детальное изучение путей образования компонентов запаха, а также их взаимосвязи с другими биохимическими процессами (первичного и вторичного метаболизма), происходящими в клетках, позволит в будущем направленно воздействовать не только на запах, но и на другие свойства растений. К настоящему моменту большие успехи уже достигнуты в изучении метаболизма терпенов.

Спонсор публикации статьи: сайт бесплатных купонов iCoupons.ru. Воспользовавшись услугами сайта, Вы сможете получить купоны SammyDress , Hollisterco.com, AliExpress.com, Yoox.com, и множества других магазинов. Купоны позволят получить выгодные скидки на товары магазина, что сделает покупку еще приятнее.

1. Тополевые почки

Чем пахнет тополь? Прежде всего сесквитерпенами - углеводородами специфического строения, а также их спиртами сесквитерпенолами (напомним, спирт с точки зрения органической химии - это углеводород плюс ОН‑группа). Эти соединения отвечают за многие растительные запахи и в большинстве своём обладают противовоспалительными и бактерицидными свойствами. Сесквитерпенолы тополевой смолы - это, например, эвдесмолы; у (+)‑альфа-бисаболола запах несильный, цветочно-перечный, зато, как пишут журналы, очень целебный: в перечне его достоинств есть даже противораковая активность. Сесквитерпены запаха тополя - гамма-кадинен, селинены.

2. Бензин

3. Мокрая собака

Многие из этих веществ по отдельности пахнут приятно. Горький миндаль (бензальдегид), цветы и фрукты (фенилацетальдегид, ацетальдегид, 2-нонанон), жареные орешки (2-метилбутаналь), грибы (1-октен‑3-ол), и даже запах фенола не все считают отталкивающим. Правда, п-крезол и диметилтрисульфид- вещества бесспорно вонючие, у 2,3-диэтил‑5-метилпиразина землистый запах. Сумма же этих слагаемых безошибочно определяется как «пахнет псиной». Ладно, потерпим, животное тоже имеет право на весенние радости.

А вот мои знакомые короткошёрстные собаки пахнут преимущественно 1-октен‑3-олом - фенолом и крезолом почти не воняют.

4. Кошачьи метки

Цитируя Сашу Чёрного: «Весенний брак! Гражданский брак! Спешите, кошки, на чердак!». Хотя в современных российских городах они больше любят подвалы. Проходишь мимо подъезда, поворачиваешь в арку - и сразу понимаешь: Кот жив.

Моча кошек и в особенности котов содержит сильно пахнущее вещество 3-меркапто‑3-метилбутан‑1-ол (ММБ). Возникает оно при распаде почти лишённого запаха фелинина. Распад идёт медленно, поэтому запах «расцветает» постепенно; если субстанция попала, скажем, на ботинок, масштаб катастрофы осознаётся не сразу. То же самое вещество придаёт запах и моче многих диких кошек, до рыси включительно.

5. Первые капли дождя

А начнётся первая в году гроза, и к запаху геосмина добавится запах озона О3: он образуется из кислорода О2 под действием электрических разрядов, и нисходящие потоки воздуха приносят его к земле.

6. Шашлык

7. Запах булочной

Карамелизация даёт нам мальтол и изомальтол, сладковатый запах свежей корочки. Названия происходят от английского malt - солод: эти вещества также были найдены в обжаренном солоде, то есть пророщенных зёрнах злаков, из которых делают пиво и прочие напитки. Ключевым же ароматом дрожжевого белого хлеба считается 2-ацетил‑1-пирролин. Он, как и 2-ацетилтетрагидропиридин, - продукт реакции Майяра, взаимодействия сахаров с белками. Кстати, 2-ацетил-1-пирролин определяет запах только что сваренного риса, особенно сортов басмати и жасмин. Альдегиды (Е)‑2-ноненаль и (Е, Z)‑2,6-нонадиеналь отвечают за запах мякиша; что интересно, ими же пахнет свежий огурец. Не знаю точно насчёт любимой петербуржцами рыбки корюшки, которая, как известно, тоже пахнет огурцами, - надо бы сделать этой рыбке газовую хроматографию с масс-спектрометрией. Но, скажем, в аромате свежеприготовленной форели (Е, Z)‑2,6-нонадиеналь присутствует. Диацетил имеет маслянистый запах. А вот концентрация 3-метилбутаналя и метионаля выше в запахе свежего ржаного хлеба. Что-то есть захотелось…

8. Варёная кукуруза

В запахе попкорна появляются вещества, похожие на «хлебные», в частности тот самый 2-ацетил‑1-пирролин, который мы обоняли в хрустящей корочке, и 2-фурфурилтиол - взятый в чистом виде, он пахнет жареным кофе. Маслянистый запах ароматизированного попкорна может быть обусловлен диацетилом.

9. Шпалы

Похожие статьи: