Рис. 6.1. Строение носового прохода и эпителия. Вставка: клубочки (гломерулы) и связи с обонятельной луковицей
Так в чем же тогда секрет Джой Милн? Откуда у нее эта суперспособность? Быть может, тот самый мускусный запах, вызывающий в ее памяти больные воспоминания, способен что-то прояснить в этой истории. Происхождение этого специфического запаха – загадка. Причиной его возникновения вполне может быть белок альфа-синуклеин, играющий особую роль в проявлениях болезни Паркинсона. Этот белок составляют целых 140 аминокислот (это на пару порядков больше, чем большинство молекул, ответственных за запахи), а его трехмерная структура напоминает по форме разогнутую скрепку. Альфа-синуклеин также ответственен за потерю обоняния у людей с болезнью Паркинсона, потому что образует сгустки в обонятельной луковице. Он сразу же попал под подозрение из-за этих скоплений в обонятельной луковице и других областях мозга: он вполне может быть причастен к тому едкому запаху, что так безошибочно улавливает Милн. Но сам запах исходит от кожного сала и может быть какой-то другой, более мелкой молекулой.
6.1 «Мадленка» Пруста
«Мадленки», бисквитное печенье в форме морских гребешков, своей известностью обязаны Марселю Прусту и его роману «По направлению к Свану»[13]. Это печенье стало своего рода метафорой сохраненных воспоминаний: образцом того, насколько яркими и чудесными они могут быть и как легко вызываются простой сенсорной стимуляцией, такой как запах. «Она послала за теми коротенькими и пухлыми печеньицами, их еще называют мадленками, которые словно выпечены в волнистой створке морского гребешка. И, удрученный хмурым утром и мыслью о том, что завтра предстоит еще один унылый день, я машинально поднес к губам ложечку чая, в котором размочил кусок мадленки. Но в тот самый миг, когда глоток чая вперемешку с крошками печенья достиг моего нёба, я вздрогнул и почувствовал, что со мной творится что-то необычное. На меня снизошло восхитительное наслаждение, само по себе совершенно беспричинное. Тут же превратности жизни сделались мне безразличны, ее горести безобидны, ее быстротечность иллюзорна…»[14]
Люди уже довольно давно используют мускусные запахи, и большинство пахнущих мускусом твердых веществ и жидкостей теперь синтезируются искусственно. Скорее всего, впервые мускус был получен из желез кабарги, или мускусного оленя. Мешочек с мускусом расположен на брюхе самца и похож на мошонку (слово «мускус» происходит от слова «яички» на санскрите). Любой, кому довелось оказаться рядом с кабаргой или бобром, подтвердит, что натуральный мускусный запах отнюдь не из приятных. Чтобы получить приятный аромат, нужно его разбавить и смешать со спиртом, иначе он довольно дурно пахнет. За этот запах отвечает большое количество молекул, и все они являются частью жидкости, которая накапливается в мускусном мешке кабарги. Большинство из этих молекул содержат семнадцать или восемнадцать атомов углерода (в отличие от огромного альфа-синуклеина, состоящего из двенадцати сотен). Атомы разной формы обычно расположены неправильным кольцом и имеют гораздо меньший размер по сравнению с альфа-синуклеином.
Когда речь заходит о работе нервных клеток в носовом эпителии, форма молекулы мускуса имеет значение. В мембранную часть ресничек в назальном эпителии нервных клеток встроены относительно большие молекулы, которые закономерно называются белками обонятельных рецепторов. Эти белки надежно встроены в мембрану, поскольку белковые петли семь раз входят в нее и выходят обратно. Петля начинается с внешней стороны клеточной мембраны, входит внутрь, выходит, входит, выходит, входит, выходит и, наконец, снова входит внутрь клетки. У самого белка есть два «действующих конца»: один находится внутри клетки, а другой – снаружи. Часть белка, «торчащая» за пределами мембраны, формируется из аминокислот, которые находятся на другом конце белка. И каждый рецептор запаха имеет уникальную форму. Не забывайте, что млекопитающие имеют разное число генов обонятельных рецепторов в своих геномах. Например, у нашего вида около тысячи генов, но вот работают лишь четыреста из них, а остальные шестьсот попадают в категорию псевдогенов. Итак, у нас четыреста различных по форме белков рецепторов запахов, которые вплетаются в мембраны многочисленных ресничек назального эпителия, и у всех них есть концы, «торчащие» из нервной клетки. Каждая клетка обонятельного рецептора содержит уникальный набор белков и, следовательно, уникальный набор различных форм, выходящих из клетки. Это и есть «действующий конец» белка на внешней стороне клетки, который распознает молекулу запаха. Но все еще остается вопрос: как?
Большинство биологов сразу бы ответили, что мускусный запах просто сталкивается с подходящим рецептором, с которым он взаимодействует по типу «замок – ключ» или, как иногда говорят, с помощью механизма «рука – перчатка». Как только молекула запаха попадает на рецепторный белок, изменяется трехмерная структура рецептора на конце белка, находящегося внутри клетки, что и запускает внутриклеточные реакции.
В свою очередь, биофизик Лука Турин сделал интересное и неортодоксальное предположение, что молекула одоранта (в нашем случае мускуса) действительно входит в рецепторный белок, но не меняет его структуру, а ведет себя совсем иначе. Идея Турина основана на вибрации молекул: электроны в атомах белка двигаются, и это необходимо для образования химической связи. Представьте себе химическую связь, где два атома делят один электрон. Электрон, перемещаясь от одного атома к другому, будет дергаться или вибрировать. Вибрационная теория предполагает, что молекула запаха, попадая в рецептор, изменяет вибрационные свойства белка. Это колебательное изменение переносит электрон на рецептор. Затем электрон перемещается от одного конца рецептора к другому, что становится причиной изменения вибрации рецептора. Перенос электронов или изменение частоты колебаний в конечном итоге запускает каскад действий внутри нервной клетки.
Некоторые исследователи и журналисты называют эту концепцию «теорией бесконтактной карты», противопоставляя ее более ортодоксальному механизму «замок – ключ», предпочитаемому многими учеными, занимающимися вопросами обоняния. На самом деле этой идее почти 150 лет. В 1869 году некий ученый выдвинул эту гипотезу в Scientific American – главном американском научно-популярном журнале того времени. Но заслуга Турина в развитии этой теории тоже неоспорима: возрождение идеи привело к разработке ряда разумных экспериментальных подходов. Результаты одних тестов подтверждают предположения, вытекающие из вибрационной гипотезы, других – нет. И, несмотря на то что все они наводят на размышления, их очень трудно интерпретировать, как отметили Лесли Вошалд и Андреас Келлер, поскольку эксперименты, подтверждающие вибрационную теорию, были оспорены. В 2015 году Эрик Блок с коллегами провел эксперименты со специфическими рецепторами – один на человеке, а второй на мыши, используя дейтериевый подход (см. вставку 6.2). Ученые взяли изотопомеры[15] мускусных запахов и проверили их на обонятельные различия. Различий обнаружено не было, а это противоречит вибрационной гипотезе.
Таким образом, вибрационная теория остается лишь интересной идеей, а вот теория «рука – перчатка», основанная на форме молекулы запаха и рецептора, кажется более аргументированной. Но независимо от того, какая теория победит – вибрационная, или соответствия формы, или, возможно, смесь обеих, – процесс при контакте запаха и рецептора один и тот же: в клетке происходит каскад взаимодействий белков, которые создают потенциал действия, возбуждая нервную систему. Этот импульс, в свою очередь, передает исходную информацию о запахе в мозг. Некоторые другие чувства имеют похожий механизм. Сам процесс называется сигнальной трансдукцией и включает в себя белковый комплекс, который я описываю в контексте другого хемосенсорного чувства – вкуса.
6.2 Проверка вибрационной теории
Для проверки вибрационной теории ученые разработали несколько очень толковых экспериментов. Все они основаны на использовании стабильного изотопа водорода – дейтерия, или тяжелого водорода. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, а ядро водорода содержит только протон. Химические соединения дейтерия по своим свойствам отличаются от аналогичных соединений водорода. Одно из отличий соединения, полученного при использовании дейтерия, заключается в вибрации молекулы. Заменив дейтерий на водород в молекуле одоранта, можно значительно изменить ее вибрационные свойства, сделав молекулу с дейтерием так называемым изотопомером, по свойствам которого можно определить и свойства соединений с водородом. Размер и форма молекулы при введении дейтерия вместо водорода остаются практически прежними, а колебательные свойства изменяются[16]. Если вибрационная теория верна, то вещество с дейтерием должно отличаться по запаху от вещества с водородом. А если принять за основу гипотезу формы, то оба вещества должны пахнуть одинаково, потому что формы молекул не меняются. В другом тесте надо было бы найти два запаха с одинаковыми вибрационными свойствами, но с разной формой молекул. В этом случае, если вибрационная теория верна, два вещества должны пахнуть одинаково, в отличие от теории формы, согласно которой оба вещества должны издавать разные запахи.
У вкуса гораздо меньше генов, кодирующих рецепторы в нашем геноме, чем у обоняния. У человека около четырехсот функциональных генов обонятельных рецепторов, на порядок меньше вкусовых. Однако это совсем не значит, что у нас узкий диапазон различаемых вкусов. Прежде чем оценить наши способности, важно понять, как небольшие молекулы, которые производят вкус, взаимодействуют со вкусовыми рецепторами. Порой совсем не так, как запахи.