Обоняние и здоровье
Мир запахов окружает нас всюду, и мы сталкиваемся с ним непрерывно. Роль запахов в нашей жизни огромна. Современные люди привыкли думать, что запахи – это всего лишь комбинации молекул, которые при попадании в нос раздражают нервные окончания, передающие информацию в головной мозг. Но, согласно представлениям древних мудрецов, запах является тончайшим проявлением материальной природы и непосредственно связан со стихией земли. Запахи появились вместе с элементом земли и присутствуют везде, где есть этот элемент.
Если задаться вопросом, сколько существует запахов, ответ будет таким: столько, сколько существует различных веществ и их комбинаций. У каждого вещества имеются свои летучие составляющие. Пахнут даже камни, в чем каждый может убедиться, если с силой ударит один камень о другой. Это подтверждает и «электронный нос» – лазерный прибор, анализирующий испарения твердых тел, переведенных в газообразное состояние. На такой сложнейший анализ прибору потребуется три секунды. А вот обыкновенная муха практически мгновенно отличает настоящий сахар от сахарина, анализируя, как установили исследователи, пространственное строение молекул запаха.
Глава 13Механизм обоняния и его особенности
Не каждый из нас знает, что структуры обонятельного анализатора человека принимают важнейшее участие в организации поведенческих реакций, эмоций, вегетативно-висцеральной регуляции, процессов памяти, регуляции активности других областей коры головного мозга. Обонятельный анализатор человека является высокочувствительным, он имеет низкий порог возбуждения, отличающийся для различных веществ. Способность различать запахи у каждого человека разная, она индивидуальна не только в абсолютном выражении, но и в отношении отдельных запахов.
Обонятельные пути являются не перекрещенными, в отличие от большинства других проводящих путей в нервной системе. Это свидетельствует как о филогенетическом древнем происхождении, так и об особом функциональном значении.
Рассмотрим более подробно, каким образом человек воспринимает запахи из окружающей его среды обитания. Ученым известно, что в верхнезадней части носовой полости находится около 200 миллионов обонятельных клеток. Приятные и резкие запахи, парящие в воздухе, улавливаются нашим носом, а затем передаются к рецептору запахов (слизистой обонятельной оболочке), с поверхностью, едва ли равной размеру почтовой марки (3 см²).
Обонятельные клетки-рецепторы снабжены детекторами запахов и имеют нервные окончания в виде волосков. Эти окончания улавливают запах и передают его подобно электрическому току в мозг, который анализирует все полученные ощущения.
Существует десять четко различимых групп запахов:
• фруктовые (эфирные);
• камфарные или миндальные (ароматные);
• цветочные (душистые);
• мускусные (амброзиевые);
• чесночные, хлорные или серные (чесночные);
• запахи горелого (горелые);
• сырные;
• запахи жира или пота (потовые);
• зловонные (отталкивающие);
• гнилостные или экскрементов (тошнотворные).
Детекторы запахов находятся рядом с полостью рта, и поэтому человеку почти невозможно четко отличить запах от вкуса потребляемых напитков или продуктов.
Например, вино, когда его пробует винодел, воздействует и на обонятельные рецепторы. Еще один пример: при насморке человек практически не ощущает вкуса блюда, которое пробует в таком состоянии.
В то же время неприятный запах может вызвать рвотный рефлекс, а приятный – привести к слюноотделению.
У человека обоняние намного слабее, чем у животных. Если человек ощущает запах при концентрации вещества в 500 миллионов молекул на 1 м³ воздуха, то собаке достаточно в 2500 раз меньше, то есть лишь 200 000 молекул.
Другая особенность собачьего обоняния в том, что собака различает до ста тысяч запахов, а человек – только три тысячи. Зато собаке необходимо обнюхать себе подобное существо, чтобы понять, самец это или самка. Человеку же на уровне своего вида решить такую задачу гораздо проще за счет зрительных анализаторов и соответствующих им отделов головного мозга.
Самое развитое обоняние имеет самец ночной бабочки павлиний глаз (Eudia pavonia), он может различать запах неоплодотворенной самки на расстоянии до 11 километров.
Обоняние позволяет человеку получать удовольствие от приятных запахов, а иногда способно спасти ему жизнь. Например, не дать утром ошибочно с похмелья выпить уксус вместо водки. Обоняние подскажет, что не стоит есть пирожок с тухлой начинкой, оно напомнит человеку, что при наличии запаха газа в квартире нельзя щелкать выключателем. Если погрузиться глубже в окружающие нас запахи, то можно узнать, что они обладают свойствами, о которых многие люди даже и не подозревают.
Что-то вроде человеческого обоняния существует даже у микроорганизмов: хемотаксис – способность перемещаться к источникам пищи и быть подальше от опасных веществ – проявляют все подвижные одноклеточные.
Для многих животных обоняние является не менее важным источником информации, чем зрение и слух. Любой собачник знает, что собаки теряются при встрече с выпившим хозяином, который хотя выглядит и говорит так же, как всегда, однако пахнет совсем по-другому. Это связано с тем, что вместе с остальной биохимией алкоголь меняет в теле человека состав пота и, соответственно, исчезают неощутимые для человеческого носа оттенки индивидуального запаха.
Для нас с вами способность чувствовать и различать запахи на первый взгляд не так уж и важна. Иногда она даже мешает нашему спокойствию. Каждый человек может припомнить ситуации, когда он был готов отдать полцарства за то, чтобы не ощущать запаха вошедшего в троллейбус бомжа или сидящего рядом коллеги, «для профилактики» наевшегося чеснока.
Без удовольствия от запаха цветов, духов, пищи и множества других ароматов окружающий нас мир потерял бы многое. Однако для человека обоняние стоит на четвертом месте в ряду пяти его основных чувств. За счет зрения мы получаем не менее 90 % информации об окружающем мире, а без него человек использует для ориентации в пространстве и распознавания живых и неживых объектов тактильные ощущения и слух.
Основные механизмы работы обоняния ученые расшифровали совсем недавно. Это отставание обусловлено не только недооценкой важности его роли в жизни человека, но и чрезвычайной сложностью устройства природных обонятельных рецепторов.
Ощущение запахов
Гордон Шеферд, профессор неврологии Йельского университета, говорит: «Нам кажется, что мы нюхаем с помощью носа, но это все равно что сказать, что мы слышим мочками ушей». Нос позволяет человеку в процессе его дыхания направить содержащий ароматические молекулы воздух на обонятельный эпителий – симметричные участки слизистой оболочки, находящиеся глубоко в полости носа, немного ниже уровня глаз.
Запахи мы ощущаем только во время вдоха, так как выдыхаемый воздух проходит только через нижние носовые раковины и не соприкасается с дыхательным эпителием.
При спокойном вдохе вблизи находящегося в самой верхней части носовой полости обонятельного эпителия проходит около 10 % вдыхаемого воздуха, поэтому для усиления ощущений запахов нам необходимо глубоко вдохнуть. Можно также взять пример с животных и принюхаться, делая частые короткие вдохи в непосредственной близости от изучаемого объекта. Это позволяет максимально сконцентрировать пахучие молекулы интересующего нас объекта (человека, пищи и т. п.) вблизи обонятельных рецепторов.
За счет складок, по форме напоминающих гребни, общая площадь обонятельного эпителия у человека составляет 5—10 см². На этом втором рубеже обонятельной системы расположено от 10 до 50 миллионов клеток, осуществляющих регистрацию запахов. У животных их количество, как правило, значительно больше. Например, обонятельный эпителий у овчарок содержит до 220 миллионов рецепторных клеток.
Обонятельный рецептор представляет собой сенсорную (чувствительную) нервную клетку, от которой отходят два отростка. К полости носа – короткий дендрит (чувствительный отросток нейрона), имеющий не менее 10 ресничек, кончики которых находятся на самой поверхности обонятельного эпителия и выступают в покрывающую его слизь. К мозгу – более длинный двигательный (передающий) отросток, аксон, сплетающийся с аксонами других обонятельных нейронов в нити обонятельного нерва, проходящие через отверстия решетчатой кости черепа в обонятельную луковицу – структуру мозга, осуществляющую первичную обработку информации о запахах. Обонятельная луковица тем крупнее, чем острее обоняние животного, поэтому у собак-ищеек она значительно больше, чем в куда большем по размеру мозге человека.
Из обонятельной луковицы нервные импульсы поступают в первичные, а затем в высшие обонятельные участки коры головного мозга, формирующие осознанное ощущение характера и интенсивности запаха. Конечным пунктом обработки данных о запахах является лимбическая система головного мозга, регулирующая эмоциональные и поведенческие реакции организма.
Особенности нашего обоняния. Ярче всего мы воспринимаем запахи рано утром, сразу после сна. При длительном сексуальном воздержании, при мигрени, после родов, а также во время голодания обоняние обостряется на 40 %. Самыми приятными запахами большинство людей называют ароматы свежего хлеба, кофе и свежескошенной травы. У людей, недавно начавших курить, обоняние слабеет на 50–60 %. У 25 % людей, по каким-либо причинам утративших обоняние, пропадает и интерес к сексу. Из-за естественной кривизны носовой перегородки левая ноздря воспринимает запахи лучше, чем правая. Обоняние у женщин, не принимающих гормональные контрацептивы, меняется в течение менструального цикла. Острее всего оно во время овуляции. Физиологи из Университета Колорадо установили, что после 60 лет у человека снижается острота восприятия запахов.
Механизм работы рецепторов обоняния
Молекулы ароматических веществ, попадающие с током воздуха в носовую полость, растворяются в слизи, покрывающей обонятельный эпителий, и взаимодействуют с рецепторными белками, содержащимися в мембране ресничек обонятельных нейронов. Это взаимодействие изменяет ионную проницаемость мембраны клеток и формирует электрический импульс, передающийся по аксону клетки в обонятельный нерв и далее, вплоть до двигательных нейронов спинного мозга, дающих мышцам команды зажать нос пальцами (при неприятном запахе) и отойти подальше или наоборот (в случае приятного запаха).
С центральными механизмами системы обоняния специалисты, занимавшиеся ее изучением, разобрались довольно давно. Но белковые рецепторы, присутствующие на мембранах дендритов нейронов обонятельного эпителия, длительное время оставались неуловимыми. Решить эту задачу удалось только в 1991 году ученым Колумбийского университета Линде Бак и Ричарду Экселу. В 2004 году открытие принесло им Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Традиционный подход к изучению механизмов работы рецепторов обоняния заключался в измерении активности тех или иных нейронов в ответ на различные раздражители. Для этого к обонятельным нервам животных подсоединяли электроды и давали им вдыхать различные вещества. В результате удалось выяснить только то, что один и тот же нейрон может реагировать на различные вещества, однако механизмы, лежащие в основе этого процесса, долгое время оставались непонятными.
Бак и Эксел избрали принципиально новый подход – они обратились к стремительно развивающейся генетике и начали поиск генов, активность которых регистрируется исключительно в обонятельном эпителии. Вначале их эксперименты также были безуспешны, что позже Эксел объяснил существованием огромного количества белков-рецепторов, реакция каждого из которых на конкретный запах слишком слаба, чтобы ее можно было обнаружить существующими методами.
Справиться с этой проблемой ученым помогла придуманная Бак схема, с помощью трех допущений значительно сократившая область поиска. Согласно первому допущению, основанному на имевшихся на тот момент разрозненных научных фактах, искать следовало только гены белков, обладающих определенным сходством с родопсином. Это рецепторный белок, за счет которого происходит формирование электрического импульса в палочках сетчатки глаза, клетках, не различающих цвета, а реагирующих на изменение освещенности и обеспечивающих сумеречное зрение. Кроме того, искомые белки должны были относиться к одному семейству, а кодирующие их гены – проявлять активность исключительно в клетках обонятельного эпителия.
У крыс генов, отвечающих всем трем критериям, нашлось около тысячи – примерно 1 % от всего генома. Каждый сотый крысиный ген задействован в распознавании запахов, что указывает на чрезвычайную важность системы обоняния для грызунов – близких родственников приматов: наши ветви на древе эволюции разошлись около 25 миллионов лет назад.
Поиск в ДНК-библиотеках позволил найти в геномах других видов (мыши, саламандры, зубатки, собаки, человека и других животных) гены-аналоги, связанные с первичным восприятием запахов. Правда, в отличие от большинства животных, у которых большая часть этих генов исправно синтезирует соответствующие белки, у человека имеется почти 60 % генов белков обонятельных рецепторов. Судя по всему, мутации, блокирующие активность генов обонятельных рецепторов, стали накапливаться с того времени, когда острое обоняние утратило свою важность для выживания обезьяноподобных предков человека.
Дальнейшее изучение системы органов обоняния показало, что каждый отдельный рецепторный нейрон может распознавать множество пахучих молекул, каждая из которых активирует различные белковые рецепторы на поверхности его мембраны. Такая комбинаторная система кодирования сигналов позволяет распознавать практически неограниченное количество ароматов.
Даже незначительно отличающиеся по химической структуре молекулы активируют различные комбинации рецепторных белков, находящихся на мембранах разных нейронов, поэтому запах октанового спирта напоминает запах цитрусовых, а отличающейся от него только одним дополнительным атомом кислорода октановой кислоты – запах пота.
К тому же эффекту может привести изменение пространственного строения молекул. Например, запахи тмина и кудрявой мяты обеспечивают d-карвон и l-карвон – хиральные изомеры. Это молекулы с одинаковым химическим составом, отличающиеся друг от друга, как предмет от его зеркального изображения.
Кроме того, большее количество молекул активирует более широкий спектр рецепторов, из-за чего одно и то же вещество может пахнуть по-разному в зависимости от концентрации.
Самым удивительным примером является скатол – гетероциклическое соединение, образующееся при разложении белковых соединений и придающее специфический запах испражнениям. В то же время в малых концентрациях скатол обладает приятным запахом и входит в состав парфюмерных продуктов и пищевых эссенций.
Наиболее многогранными в этом отношении являются альдегиды. Так, кокосовый альдегид в небольшой концентрации пахнет не кокосом, а абрикосом или персиком, а запах анисового альдегида при разбавлении ощущается как аромат свежего сена, шиповника и цветов боярышника.
К наиболее неприятно пахнущим соединениям относятся серосодержащие вещества, начиная с самого простого – сероводорода H2S. «Чемпионами» среди них считаются меркаптаны. Их смесь обеспечивает неприятный запах скунсовой струи, от которой человек может даже упасть в обморок. Меркаптаны придают неповторимый аромат гнилой капусте и бытовому газу. Природный газ ничем не пахнет, и в целях безопасности в него добавляют чуть-чуть изоамилмеркаптана. Серосодержащие соединения диаллилдисульфид и аллицин обеспечивают резкий запах чеснока, а основной компонент запаха лука – аллилпропилдисульфид.
В самих чесноке и луке (относящихся к роду Allium) нет аллилов: в них при разрезании под действием ферментов превращаются многочисленные молекулы аминокислоты цистеина, содержащие сульфгидрильные группы – SH. Особенностью этих дисульфидов является то, что от их запаха практически невозможно избавиться ни с помощью чистки зубов, ни полосканием рта. Дело в том, что эти соединения, проникнув через стенки кишечника в кровь, разносятся по всему организму, в том числе и в легкие, откуда непрерывно выделяются наружу с выдыхаемым воздухом.
Обонятельный мозг, rhinencephalon, есть филогенетически самая древняя часть переднего мозга, возникшая в связи с анализатором обоняния, когда передний мозг не стал еще органом поведения животного. Поэтому все компоненты его являются различными частями обонятельного анализатора. У рыб почти весь передний мозг является органом обоняния.
С развитием новой коры, что наблюдается у млекопитающих и человека, стала развиваться новая часть переднего мозга (neencephalon) – плащ, pallium. Neopallium, новый плащ, в коре которого, neocortex, появились высшие центры обоняния – корковые концы анализатора. Это – uncus, являющийся частью сводчатой извилины. В результате обонятельный мозг человека содержит ряд образований различного происхождения, которые топографически можно разделить на два отдела: периферический отдел – это обонятельная доля и центральный отдел – это извилины мозга.