что такое запах с точки зрения физики и химии

Электромагнитная природа запахов или Волны запаха

Оригинал взят у kactaheda в Электромагнитная природа запахов или Волны запаха

Почти 2000 лет назад античный ученый, поэт и философ Тит Лукреций Кар полагал, что в носовой полости есть крошечные поры разного размера и формы. Каждое пахнущее вещество, рассуждал он, испускает крошечные «молекулы» присущей ему формы. Запах воспринимается, когда эти «молекулы» входят в поры обонятельной полости. Распознавание каждого запаха зависит от того, к каким порам эти молекулы подходят.

В 1756 году М.В. Ломоносов в своей работе «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее» выдвинул мысль о том, что окончания нервных клеток возбуждают колебания частиц материи. В этом произведении он прямо писал о коловратных (колебательных) движениях частиц эфира как о возбудителях органов чувств, в том числе зрения, вкуса и обоняния.

Понадобились два тысячелетия исканий со времени Лукреция и два века исканий и споров со времени Ломоносова, чтобы их гениальные догадки получили обоснованное подтверждение. Удалось научно установить, что у природы запаха, как и у природы света, двойственный характер: корпускулярный (зависящий от структуры душистого вещества) и волновой.

Развитие химии и физики дало возможность получить наиболее правильное представление о процессе ощущения запахов.

По современным данным, молекулы пахучих веществ поглощают и испускают волны длиной от 1 до 100 микрон. Человеческое же тело при нормальной температуре поглощает и испускает волны длиной от 4 до 200 микрон. Наиболее важны электромагнитные волны, имеющие длину от 8 до 14 микрон, что соответствует длине волн инфракрасной части спектра. Интересно, что поглощение действия душистых веществ достигается ультрафиолетовыми лучами и поглощением инфракрасных лучей. Ультрафиолетовые лучи убивают многие запахи и этим пользуются, когда хотят очистить воздух от ненужных ароматов.

Приведем любопытные примеры, подтверждающие волновую (физическую) «коловратную» природу запаха. Американские ученые доктора Мильс и Бек проделали следующий опыт. Б стенке небольшого ящика установили светофильтр, пропускающий только инфракрасные лучи. Внутрь положили немного меда. Ящик герметически закупорили и вынесли на пасеку. Через некоторое время светофильтр облепили пчелы. Почему? А потому, говорят экспериментаторы, что «радары» пчелиных органов обоняния уловили свойственное меду инфракрасное излучение. Другого объяснения быть не может, ибо ни одна молекула меда не проникла из герметически закрытого ящика наружу.

Другие опыты этими же учеными были проведены с тараканами, помещенными в герметически закрытую клетку, в которой имелось окно из кристалла бромистого калия, пропускающего инфракрасные лучи. Экспериментаторы отметили колебание усиков, как при реагировании на запах. При продувании воздуха через трубку позади кристалла у 15% тараканов наблюдалось колебание усиков. Когда гвоздичное масло пропускали в помещение, совершенно изолированное от насекомых, у 24 % тараканов усики были активными. Опыт в помещении, где пахучее вещество приходило в соприкосновение с тараканами, показал, что 26% из них реагировали на запах. Ученые объясняют такое явление тем, что эти насекомые имеют обонятельный аппарат снаружи в виде длинных волнообразных антенн (усиков), которые служат не столько для обоняния, сколько для «чувствования».

Когда насекомые ощущают запах, происходит колебание антенн, как будто они были возбуждены. Это, по мнению авторов, дает возможность физиологам отметить и даже измерить степень восприятия насекомыми разных запахов. Интересно, что кошка, у которой частично или полностью удалены усы, частично или полностью теряет обоняние.

Энтомолог И.А. Фабри, изучавший в течение шести лет это явление у одного из видов ночных бабочек, проделал такой опыт. Летом с наступлением вечера на балкон уединенной лесной дачи он выносил самку бабочки (в проволочном садке). Не проходило и 30 минут, как к ней отовсюду начинали слетаться самцы. За три вечера их было поймано 64 экземпляра. Сделав пометки красками на спинках самцов, их уносили (в коробках) за 6-8 километров от дачи и там выпускали на волю. Однако через 40-45 минут самцов снова обнаруживали около самки. Опыты повторялись неоднократно, но результат был один. Подозревая, что органами связи у насекомых являются их усики, ученый обрезал насекомым самцам их естественные «антенны» и убедился, что без них они не смогли воспринимать призывы самки и больше не прилетали к ней. Примечательно также явление, которое наблюдалось во время войны: вокруг поднятых над окопами тонких прутиков антенн полевых раций очень часто скапливалось значительное количество насекомых, чаще всего майских жуков, привлеченных издалека антенной как светом.

Таких примеров можно привести множество. Все указанное выше и изучение спектра запахов дало профессору Фролову полное основание писать, что теперь как будто удается не только выявить физическую природу запахов, но и приблизительно указать их расположение в инфракрасной и ультрафиолетовой части шкалы электромагнитных колебаний.

Источник

Тайна запаха

Этой тайне столько же лет, сколько и тем, кто пытается ее разгадать, — она родилась вместе с человеком. Обоняние — единственное из всех пяти наших чувств, природа которого до сих пор не до конца раскрыта учеными. Откуда берется запах? Чем он вызван? Почему вещества пахнут по-разному? Как мы воспринимаем эту огромную гамму запахов? Иными словами, что такое запах? Подобные вопросы давно волновали людей, но ответа на них не было.

Эта проблема, как многие другие, имеет две стороны: теоретическую и практическую. И вышло так, что ученые-практики значительно обогнали ученых-теоретиков. До сегодняшнего дня еще не создана сколько-нибудь законченная, признанная теория обоняния, но имеется очень много серьезных практических работ по созданию различных душистых веществ.

Описаний работ первых парфюмеров вы не найдете в научных журналах: они дошли до нас в нетронутых тысячелетиями творениях древних мастеров. При раскопках гробницы египетского фараона Тутанхамона были найдены бальзам и благовония, которые до наших дней сохранили свой изумительный аромат.

Раньше искусством запахов владели немногие, сейчас это целая отрасль промышленности — парфюмерная.

Многие века человек пользовался для создания различных душистых веществ тем, что дала ему природа: розовым маслом, маслом сандалового дерева, мускусом. Развитие парфюмерной промышленности поставило перед химиками-синтетиками задачу создать искусственно природные запахи.

Самый простой, но не самый короткий путь состоял в копировании природы. Простой — потому что в данном случае работа сводилась к выяснению структуры молекул природного вещества и механическому воспроизведению этой структуры, не короткий — потому что молекулы натуральных веществ имели часто очень сложное строение. Однако этот путь все-таки необходимо было пройти: нельзя стать зрелым, минуя детство. Эти исследования дали определенную пользу: были синтезированы первые искусственные душистые вещества. Но следующим, качественно более высоким этапом должно было стать не простое подражание природе, а разумное, рациональное воспроизведение запахов.

ТЕОРИЯ НАЧИНАЕТСЯ С ВОПРОСОВ

Для этого нужно было сначала выяснить одну принципиальную вещь: вся ли молекула «пахнет» или только ее какая-то часть? Сначала ученые решили, что ответственными за запах в молекуле являются функциональные группы, так называемые осмофоры, такие, как, например, алкогольная, фенольная или нитрогруппы. Однако лишь эти группы, еще не могут служить признаком запаха, так как известны вещества, имеющие осмофорные группы, но никаким запахом не обладающие. Тогда было высказано предположение, что запах зависит и от структуры молекулы, в которую входят седофоры, — эти структуры были названы осмогенами и от характера связи между ним и(типичный осмоген ядро бензола, который является родоначальником многих душистых веществ). Впоследствии различные ученые эмпирически установили еще много таких «мостиков»— около сотни, связывающих запах с химическим строением.

Но, несмотря на это, химической теории запаха установить не удавалось. Слишком много было нагромождено для химического объяснения запаха. А истина большей частью проста. Кроме того, значительным препятствием к признанию химической теории служил и тот факт, что химики, создавая искусственно природные душистые вещества, получили соединения, обладающие похожим запахом, но имеющие различное строение; и наоборот — вещества с близким строением имели, совершенно различные запахи.

Очевидно, разгадку следовало искать ее в химическом строении, а в чем-то другом.

Первым, кто высказал рациональную идею об истинной природе запаха, идею, к которой сегодня пришло большинство ученый был гениальный М. В. Ломоносов. Еще в 1765 году он писал о колебательных (коловратных) движениях частиц эфира как о возбудителе органов чувств, в том числе зрения и обоняния. Последующие сто пятьдесят лет ученые занимались в основном тем, что уходили от этой идеи в противоположную — химическую сторону. И только в последнее время они стали все больше склоняться к убеждению, что запах связан с электромагнитными колебаниями молекул.

Но только ли разочарования привели ученых к мысли о физической природе запахов? Не похоже ли это на доказательство способом от противного: раз не химия — значит, физика?

Нет, не только. К этим выводам ученые пришли, отталкиваясь и от некоторых позитивных фактов. К ним относятся в первую очередь явление комбинационного рассеяния света молекулами пахучих веществ и. их особое отношение к ультрафиолетовым и инфракрасным лучам. Останавливаться на этом подробно здесь, не имеет смысла, заметим только, что подобные данные помогли направить поиски в нужную сторону.

Но и на этом, казалось бы, верном пути ученых ожидало немало подводных рифов. И если некоторые из них преодолевались научной мыслью относительно легко, то были и такие, которые не удавалось обойти сразу. Одним из таких рифов, на который на долгое время, как на мель, сел корабль физической теории обоняния, был вопрос о механизме возбуждения нервного импульса. В самом деле, каким образом слабые колебания молекул пахучих веществ улавливаются нервными окончаниями обонятельных рецепторов?

Химическая теория запаха давала этому объяснение, пусть не совеем очевидное, но все же давала. Согласно ей, возбудителем нервных элементов являются продукты химического взаимодействия пахучих веществ с клеточными белками. А что могла предложить в ответ физическая теория? Сначала ничего убедительного. Но позже, когда в результате работ различных ученых появились новые биофизические взгляды и квантохимические представления, волны этого мощного прилива современных идей сняли корабль физической теории с мели.

Итак, понадобилась помощь смежных наук. Это закономерно. Процессы, протекающие в нашем организме, взаимосвязаны, они представляют собой звенья одной и той же цепи. И естественно, держа в своих руках два крупных звена, ученым легче подобрать к ним среднее, недостающее. Это похоже на кроссворд отдельные буквы искомого слова, полученные при отгадывании смежных слов, помогают проверить ответ.

Так произошло и в теории обоняния. Условно ее можно разделить на три части: первая — это вопрос о том, чем «выражается» запах, вторая — как он передается обонятельным рецепторам и, наконец, третья— как это «сообщение» доходит до обонятельных центров головного- мозга.

Ответы на первый и третий вопросы были получены раньше, чем на второй; возможно, без них второй ответ вообще бы не родился. Располагая двумя звеньями, ученые могли проверить правильность недостающего, конец одного служил началом другому. И обратно, если звено хорошо укладывалось в общую цепь, это подтверждало и правильность выбора, крайних звеньев молекулы, а не отдельных ее групп.

P. S. О чем еще думают британские ученные: а еще с запахом тесно связаны некоторые профессии, например, профессия парфюмера в которой нюх это практически все. К слову в последнее время появился даже дистанционный колледж, где кроме всего прочего обучают тонкостям и этой интересной профессии.

Источник

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХОВ

Доктор технических наук В. МАЙОРОВ.

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

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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

Источник

Новости химической науки > Квантово-химическая гипотеза происхождения запаха

Ученые из Лондонского Центра Нанотехнологий недавно проанализировали весьма интригующую квантово-химическую гипотезу происхождения запаха, сформулированную еще десятилетие назад и обнаружили, что в этой идее гораздо больше здравого смысла, чем казалось ранее.

Все, что современная наука имеет по поводу возникновения запахов похоже на обрывки головоломки, которые не хотят укладываться в единую картинку. Известно, что «пахнущие» молекулы, находящиеся в воздухе активируют определенные типы рецепторов в нашем носу, рецепторы же, в свою очередь, передают сигналы на кору головного мозга, анализирующую тип запаха. Вместе с тем известно, что хотя форма и размеры молекул отвечают за распознавание их нервными рецепторами, запахи некоторых веществ, молекулы которых имеют практически одинаковую форму, не имеют ничего общего между собой.

Такая загадка обуславливается лишь одним – отсутствием представлений о том, что происходит до того и во время того, как молекула запаха взаимодействует с рецепторами в носу. Возможно, что лучшее понимание процессов, протекающих на атомно-молекулярном уровне, сможет объяснить различную реакцию рецепторов на молекулы одинаковой (или различной) формы.

Физики из Лондона Дженнифер Брукс (Jennifer Brookes), Филио Хартусиу (Filio Hartoutsiou), Эндрю Хорсфилд (Andrew Horsfield) и Маршалл Стоунхэм (Marshall Stoneham) рассмотрели физическую возможность реализации механизма передачи запаха, предложенного в 1996 году Лукой Турином (Luca Turin). Суть предложенной гипотезы заключается в том, что электроны обонятельных рецепторов могут туннелировать под действием частоты собственных колебаний молекулы – источника запаха. Исследования английских ученых показали, что общая канва предложенной десятилетие назад модели не противоречит ни физическим законам, ни тому, что мы знаем о природе запаха.

Квантово-механическое туннелирование, процесс, зачастую применяемый в технологии, происходит при преодолении частицей энергетического барьера большего, чем частица в состоянии преодолеть в соответствии с принципами классической физики. Туннельные переходы возможны для частиц с ярко проявляющимся корпускулярно-волновым дуализмом, каковыми, например, являются электроны. Если фононы (кванты упругих колебаний) «пахнущих» молекул промотируют туннельный переход электронов обонятельных рецепторов с уровня на уровень, нервные окончания посылают сигналы на кору головного мозга. Различная частота колебаний одорантов улавливается различными рецепторами, благодаря этому различные молекулы – переносчики запаха пахнут по разному.

Процесс образования запаха за счет туннеллирования электронов: (a) электрон в обонятельном рецепторе носа переходит к донорному компонента рецептора; (b) и (c) собственные колебания молекулы-одоранта позволяют электрону туннелировать в другое энергетическое состояние; (d) электрон перемещается к акцептору, подавая сигнал на кору головного мозга. (по материалам Phys. Rev. Lett.)

Основная химическая модель, применявшаяся для объяснения природы запахов, соответствовала принципу «ключ-замок» и говорила о том, что молекулы различной формы подходят под рецепторы строго определенной формы. Новая гипотеза, предложенная лондонскими физиками, описывается ими как модель «кредитной карты». Как и магнитная карта, молекула одоранта распознается рецепторами, которые считывают ее колебательный спектр, попутно определяя ее форму.

Как показывают расчеты группы из Лондона, представления о немеханическом активировании оказываются возможными с точки зрения физики: рассчитанная скорость переноса заряда согласуется с наблюдаемой временной шкалой. Неупругий сигнал электрона может быть расшифрован, именно он представляет собой пропущенное звено между колебательным спектром молекуле и ее запахом. Несмотря не то ученым еще предстоит дальнейшее исследование детальных свойств обонятельных рецепторов, модель обоняния «кредитной карты» может представлять собой новую парадигму изучения селективности человеческого обоняния.

Источник: Phys. Rev. Lett., 2007, 98, 038101

Комментарии к статье:

Вы читаете текст статьи «Квантово-химическая гипотеза происхождения запаха»

Источник