Анализаторы запахов и молекул

Как ни странно, но до сих пор точно не известно, почему "запахи" пахнут и почему люди по-разному ощущают их. Недавно физиологи установили, что мужчины и женщины неодинаково воспринимают запахи. Взять хотя бы экзальтолид, вещество, применяемое в парфюмерной промышленности в качестве фиксатора. Женщины его ощущают, а все лица мужского пола не знают, как пахнет это вещество. Девочки тоже его не ощущают до достижения половой зрелости.

Однако если взрослому мужчине ввести женский половой гормон, он начинает чувствовать запах экзальтолида. А помимо этого, ему открывается целый ряд запахов, о которых он раньше не имел никакого представления. Запахи в жизни человека играют важную, но не первостепенную роль. А вот у ряда животных именно обоняние развито сильнее других органов чувств. Можно ли представить, как сложны их органы "химического чувства"?

Человек четко определяет вкусовые качества веществ, в то же время незнакомые запахи он сравнивает с уже известными. Таких запахов можно насчитать тысячи. У нас вкусовые и обонятельные ощущения разделяются, а у многих живых существ они выступают как единое чувство. Например, химические анализаторы у насекомых находятся во рту, на антеннах и на ногах. По мнению ряда ученых, некоторые насекомые, например термиты и муравьи, обладают даже объемным обонянием, которое людям трудно вообразить.

Бионикам пока еще далеко до создания совершенных анализаторов запахов, хотя они предпринимают попытки создать электронный искусственный нос и добились некоторых успехов. Но разве эти приборы можно сравнить с живыми анализаторами?

Биологи установили, что средством общения между насекомыми служит ряд веществ, которые называют феромонами. К феромонам относятся, например, пахучие вещества самки некоторых бабочек, которые привлекают самцов, находящихся иногда на расстоянии нескольких километров. Так, самец айлантовой сатурии обнаруживает самку, удаленную от него на 2,4 километра, и это далеко не рекорд. Непарный шелкопряд может обнаружить самку в радиусе 4 километров, а большой ночной павлиний глаз справился с этой задачей на расстоянии 8 километров. Возможно, не только обоняние используется для такого поиска. Во всяком случае, ученые пытались выяснить предельную границу, с которой самцы бабочек уже не находят самку. Они пометили самцов бабочки-глазчатки и выпускали их через окно движущегося поезда на разных расстояниях от места с клеткой, где находилась самка того же вида. Даже с расстояния 11 километров вернулось 26%, выпущенных самцов.

Для подобной химической локации насекомые используют перистые антенны-усики, усаженные хеморецепторами, своеобразными миниатюрными биодатчиками.

Чувствительность биологических анализаторов насекомых просто поразительна, она не уступает самым совершенным методам анализа, применяемым физиками и химиками, самой совершенной аппаратуре. Так, например, у тутового шелкопряда (Bombyx mori) ученые выделили вещество, которое назвали "бомбикол" (от латинского названия шелкопряда). Самки бабочек выделяют бомбикол из желез, и незначительные концентрации его приводят самцов в сильное половое возбуждение. Самцы начинают трепетать крыльями и совершать вращательные движения телом. Какие же минимальные концентрации бомбикола может ощущать самец? Цифра эта очень мала. Самцу шелкопряда подносили стеклянную палочку, на которой содержалась миллионная доля пикограмма (один пикограмм равен миллионной доле грамма) раствора бомбикола. И этого количества оказалось достаточно, чтобы самец пришел в возбуждение и начал сильно трепетать крыльями. Трудно даже себе представить, что молекулы бомбикола взаимодействуют с анализаторами, расположенными на усиках и ножках шелкопряда!

Рис. 1. Схематическое изображение принципов работы обонятельных рецепторов по принципу 'ключ к замку': слева - молекулы пахучего вещества; справа - 'ключ' хеморецептора

Немецкий биохимик А. Бутенанд, изучив состав бомбикола, получил четыре стереоизомера этого соединения и показал, что самцы непарного шелкопряда не только улавливают своим анализатором минимальное количество бомбикола, но и различают стереоизомеры пахучих веществ, то есть конфигурацию молекул.

Так что же улавливают хеморецепторы: колебания атомов в исследуемой молекуле или ее конфигурацию?

На этот вопрос пока нет исчерпывающего ответа. Существует две теории. По одной из них, предложенной биологом Дж. Эймуром, анализируемые молекулы вещества и хеморецепторы подходят друг к другу, как "ключ к замку" (рис. 1). Эймур выделил семь основных обонятельных рецепторов, воспринимающих камфорные, эфирные, цветочные, мускусные, мятные, острые и гнилостные запахи. Причем "замки" и "ключи" имеют простую конфигурацию. Например, эфирные "ключи" - палочки, мускусные - диски, камфорные - шаровидные. Когда конфигурация молекулы одного вещества подходит к одному из семи видов химических анализаторов, происходит плотный контакт, и на рецепторах возникает электрический заряд. Так же как на экране цветного телевизора только три цвета - синий, красный и зеленый - создают всю гамму цветов, весь букет запахов создается семью составляющими, которые хеморецепторы воспринимают как отдельные компоненты действующего запаха, а все вместе они дают полную картину запаха, поступающего в мозг в виде биотоков по обонятельным нервным волокнам, а мозг полностью "анализирует" его.

По другой теории, разработанной физиологом Р. Райтом, молекулы пахучего вещества совершают постоянные колебания, так как колеблются составляющие их атомы. Предполагается, что каждое вещество характеризуется определенным "дрожанием". Вот эти-то колебания при непосредственном контакте, а возможно, и дистанционно улавливаются хеморецепторами и также анализируются мозгом.

Трудно пока отдать предпочтение какой-либо из этих теорий. Уж очень они обе заманчивы. Во всяком случае, легче изучать не дистанционное восприятие запаха, а контактное. И мы уже говорили о таких контактных "анализах", которые может делать муха. Ведь у нее хеморецепторы находятся на лапках, и она всегда знает, что у нее под ногами: еда, питье или что-то несъедобное. Ученые подсоединили электроды к нервным волокнам синей мухи, усилили отведенные импульсы и записали их на осциллограмме. Оказалось, что на ее лапках четыре типа рецепторов: одни анализируют состав воды, другие определяют вид сахара, третьи исследуют различные соли, четвертые указывают на наличие белковой пищи. Но самое интересное, что анализаторы химических веществ у мухи находятся и в хоботке, причем хоботок автоматически отвечает на показания ножных хеморецепторов: он вытягивается, и муха начинает пить или есть. Поэтому экспериментаторы наносят на лапку мухи исследуемое вещество и по выпрямлению хоботка судят, какие концентрации и какие вещества улавливает насекомое. Такой химический анализ занимает несколько секунд и его вполне могут использовать химики-аналитики в некоторых своих работах.

Но есть животные, которые самым настоящим образом "щупают" конфигурацию молекул. Да, да, именно конфигурацию молекул!

Среди водных организмов довольно широко распространены морские желуди, или балянусы. Их можно увидеть на камнях прибрежных скал, а иногда и на живой раковине моллюска. Да что там моллюск, они и к китам ухитряются прикрепиться, и тот, чтобы избавиться от них, должен принимать пресные ванны в одной из рек, впадающих в море. На кораблях и гидротехнических сооружениях морские желуди - основной компонент обрастаний.

Рис. 2. Балянусы и их личинки: а - личинки рачков балянусов на различных стадиях развития; б - взрослые балянусы, или морские желуди

Морские желуди - это усоногие ракообразные. Конечно, они не похожи на речного рака и даже на морского краба, но все же это их родственники. Личинки у балянусов, как и у всех ракообразных,- свободноплавающие и похожи на личинок других раков (рис. 2, а). В раннем "детстве" морские желуди выдают свое происхождение, а во взрослом состоянии рака в них не узнать (рис. 2, б).

Поставим под микроскоп личинку балянуса. На ее антеннах можно увидеть своеобразные диски, а если внимательнее присмотреться, то и волоски, окружающие диск. Это и есть прибор, "ощупывающий" конфигурацию белковых молекул. Ведь личинка, проплавав какое-то время, должна прикрепиться к твердой поверхности и сделать вокруг себя своеобразный домик со створками. Но как найти "хорошее" место для прикрепления? Очень просто - использовать опыт предшественника: ведь если он сумел выжить и оставить след после себя, то и последующему жильцу, вероятно, на этом месте будет неплохо. А какой же след оставил после себя живущий на этом месте балянус? Белок, причем нерастворимый в воде. Этот белок по составу напоминает тот, который встречается в твердых покровах ракообразных и даже насекомых. Но личинка морского желудя не только не путает его с белком других животных, а, наоборот, узнает место, где ранее сидели балянусы именно ее вида. Значит, своим анализатором, на ощупь, она определяет те незначительные отличия в молекуле белка, которые по конфигурации соответствуют ее виду. Ни химики, ни физики такого прибора еще не имеют. Как тут не вспомнить теорию химического анализа, основанную на принципе "ключа и замка", когда форма молекул исследуется рецепторами, подходящими комплементарно к структуре исследуемых белков?

Ну а теперь отправимся в мир мигрирующих рыб, например лососей. До настоящего времени способность лососей находить путь вверх по реке к своим родным водоемам даже ихтиологам, которые их изучают, кажется сверхъестественной. Каждый год эти рыбы из океана возвращаются к родным рекам, а затем плывут вверх по реке, преодолевая пороги, камни и сильные встречные течения. Как будто им кто-то точно поставил задачу - вернуться в то место, где они родились сами, и только там провести нерест. Все это невероятно - в огромном океане, где кормились лососи, они должны найти устье родной реки, а затем уже в реке - место своего выклева из икринок. Однако здесь ученые преуспели и многое раскрыли.

Так, они установили, что миграция лососей состоит из двух этапов. На первом этапе они отыскивают устье родной реки. И делают это примерно, как птицы, ориентируясь по солнцу. Путь от "морских пастбищ" до устья реки может составлять сотни, а иногда и тысячи километров. Например, шотландский лосось, который кормится у берегов Гренландии, для возвращения в устье реки преодолевает 4000 километров. Но ориентация по солнцу, как у птиц, так и у лососей пока только предполагается. Действительно, выпущенные на волю лососи при солнечной погоде быстро находят пути своего следования, а если небо покрыто облаками, они теряют ориентацию. В лабораториях пробовали сделать искусственное "солнце", его вращали, и лососи меняли траекторию своего движения. Следовательно, солнце для их ориентации что-то значит.

С расстояния 100 километров от своей реки лососи определяют направление движения с помощью обоняния. В проведенных экспериментах 10 000 помеченных лососей возвращались в то же место, где они вылупились из икры. Что же за прибор у лососей улавливает запах родного водоема? Установлено, что у рыб есть У-образные трубочки с хеморецепторами. Вода прогоняется через эти трубочки микроресничками или течением, создаваемым при движении рыбы. Американские исследователи заткнули лососям "ноздри" ватными тампонами, и рыбы уже не могли найти путь к нерестилищам.

Электрофизиологи проводили эксперименты другого рода. Они выловили лососей в местах нерестилищ и подключили им электроды к обонятельной луковице, а далее биотоки подавались на усилитель и к записывающей аппаратуре. Когда через ноздри лосося пропускали воду с его родной реки, в обонятельной луковице отмечалась повышенная электрическая активность. Достаточно было сменить воду, взять ее из чужого нерестилища - никакого электрического ответа не было. В то же время вода, взятая ниже по течению реки, куда попадала часть воды с нерестилища подопытного лосося, вызывала слабый всплеск биотоков в обонятельной луковице. Значит, вода из родной реки обладает определенным запахом, который лососи отличают от всех других. Но чувствительность к этим веществам у рыб так высока, что самые тонкие и точные анализы не позволили установить, какие именно вещества привлекают рыб. Видимо, это соединения растительного или животного происхождения, составляющие целый комплекс знакомого запаха для лосося, который он помнит несколько лет.

Может показаться, что мы уже близки к разгадке механизма ориентации лососей во время миграции. Но как тогда объяснить опыты с выключением ноздрей? Оказалось, что с открытыми ноздрями лососи находят свое нерестилище не только, если они идут вверх по течению, когда потоки воды приносят им знакомый запах, но и если их выпустить вниз по течению, то есть выше родного "дома". Навстречу им движутся лососи, стремящиеся к своим нерестилищам, они не обращают на них никакого внимания, нарушают все законы и доходят до своего притока. Если же подопытным лососям "отключить" ноздри с помощью тампонов, они не находят дорогу. Возникает вопрос, какую функцию выполняют ноздри? Ведь запах их родной реки сносится только вниз по течению, и даже электрофизиологи не отмечали у лососей никакой реакции обонятельной луковицы на речную воду, взятую выше нерестилища. На этот вопрос ихтиологи ответить пока не могут, хотя и тут полностью нельзя исключить сверхчувствительного обоняния этих рыб.

Сухопутный "живой прибор", анализирующий запах, известен всем - это собака. Ни у кого не вызывает удивления, что собак используют в качестве следопытов, хотя это как раз удивительно. Собака живет миром запахов, на втором плане у нее острый слух, а затем зрение. Первые эксперименты были проведены Д. Романесом еще в 1885 году. Исследователь возглавил цепочку людей из 20 человек, которые шли за ним и ступали "след в след". Затем группа разделилась на две части и каждая направилась к своему укрытию. Когда пустили собаку Романеса, она легко отыскала место, где укрылся ее хозяин.

Задача по отысканию однояйцевых близнецов оказалась для собаки посложнее. Ведь близнецы имеют совершенно одинаковый состав белков, разница лишь в том, что один из них образовался из правой, а другой из левой половины общего зародыша на ранних стадиях развития. Перед опытом собаку познакомили с одним из близнецов. Затем оба близнеца прошли в группе людей по полю и разделились: один пошел с половиной людей вправо, другой - влево. Собака нашла знакомого ей близнеца. А что если собаку познакомить с одним близнецом, а в опыте будет участвовать другой? В этом случае собака пошла по следу не знакомого ей близнеца. Значит, если близнецы вместе, собака их различает, а в отдельности отличить их друг от друга не может: уж очень сходны запахи, и только сравнительный анализ помогает ей решить задачу.

Таким чувствительным прибором не прочь воспользоваться многие специалисты: криминалисты, газовщики, геологи. В Варшаве группа из нескольких собак следит за исправностью газовой сети. Никакие приборы не могут обнаружить утечку газа глубоко под землей, а собаки точно находят место нарушения газопровода. И практически никогда не ошибаются. В Советском Союзе, в Карелии, тренируют собак-геологов. Собаку по имени Байкал брала с собой агитбригада биофака МГУ, и во время лекции собака демонстрировала свои способности находить различные образцы полезных ископаемых, спрятанные в зрительном зале. Она распознавала больше десяти минералов и по приказу своей хозяйки находила спрятанный в зале образец, оповещая лаем, у кого из зрителей он находится. Все образцы минеральных пород раздавались зрителям перед лекцией и перепрятывались по всему залу. Байкал находил то, что ему приказывали, и ни разу не ошибся. Раньше эта собака служила на границе, но из-за катаракты ее списали, и она продолжила свою службу на мирном поприще.

Наконец, хотелось бы рассказать, какой необычайный дистанционный химический анализ проводят крысы. Если химические соединения растворены в воде, крысы распознают их с расстояния нескольких метров. Те же вещества в сухом виде они дистанционно не определяют, поэтому сухим ядом крысу можно отравить, растворенным в воде - почти невозможно. Проводили такой эксперимент. В камере для испытаний ставили две чашки. В одной каша с витаминами, в другой - без витаминов. Пускали крысу с расстояния 5 метров. Она сразу без предварительных проб выбирает путь к витаминизированной каше. Значит, крысиный "прибор" можно использовать для анализа содержания витаминов в продуктах питания, но и не только витаминов. Токсикологи определяют с его помощью безвредные концентрации веществ. Подобный анализ занимает не более минуты, а иногда несколько секунд - время, за которое крыса пробегает несколько метров.

Предположим, надо установить, при каких концентрациях безвредны растворы вещества, не имеющие ни цвета, ни запаха, скажем хлористого свинца. Крыса, которой долго не дают пить, стоит на "старте" в испытательном стенде. Выставляем ей раствор с концентрацией 1 миллиграмм на литр - крыса не идет. Уменьшаем Концентрацию в 2, 3... 10 раз - крыса к поилке не подходит. Когда концентрацию уменьшили в 100 раз, крыса побежала к сосуду и начала пить. Анализы на других организмах показывают, что крыса не ошибается. Питьевая реакция крыс - удобный "живой прибор", с помощью которого найдены предельные концентрации для десятков вредных соединений, попадающих в водоемы с промышленными стоками и ухудшающих качество воды. Следовательно, ограничительные нормы для промышленности и для работы очистных сооружений могут быть определены "крысиным анализатором".

Проверить биологическое действие химического вещества можно и другим способом - понаблюдать за теми сооружениями, которые создает животное.

Каждому в лесу встречалась красиво сплетенная паутина, прикрепленная между ветками растений. Особенно отчетливо она видна, если на ней осели бусинки-росинки, сверкающие на солнце всеми цветами радуги. Оказывается, тенеты паука - паутину - можно использовать для анализа действия стимуляторов, веществ, повышающих внимание или же, наоборот, рассеивающих его. Достаточно дать каплю исследуемого вещества пауку, и он начинает плести паутину и всю свою ловчую сеть с повышенным вниманием. Сеть получается гораздо красивее и более тщательно выполненной, чем сеть паука, которому не давали тонизатора.

Получается совершенно другой эффект, если пауку дают каплю жидкости, содержащую наркотик. Внимание паука рассеивается, он несколько раз принимается за работу, снова разбирает свое творение и наконец плетет что-то отдаленно напоминающее обычную ловчую сеть. При воздействии сильных наркотиков паук вообще не способен сплести сеть, хотя и принимается за работу. Остается только удивляться сходству механизмов, которые использует природа в деятельности мозга у таких разных существ, как паук и человек. Исследователям это на руку: на "живых приборах" можно испытывать ряд лекарственных веществ, синтезируемых в фармацевтических лабораториях. А самое главное - паучий прибор быстро отбирает те изомеры в сложных молекулах психогенных веществ, которые не оказывают действия на высшую нервную деятельность. Как это было бы трудно делать с помощью химического анализа! Остается только пожелать, чтобы крысы, рыбы, паучки и другие "живые приборы" как можно скорее появились в лабораториях химиков-аналитиков и "работали" как самостоятельно, так и в сочетании с электронными установками.