Как мозг воспринимает запахи? Как запах цветов влияет на женщин. Запах водопроводной воды
В 2004 году ученые Л. Бак и Р. Аксел (США) получили Нобелевскую премию за цикл исследований, позволивших вскрыть молекулярную основу распознавания запахов и тем самым существенно расширить представления о функциональных возможностях обонятельной системы.
Проведенный анализ статей последних лет показал, что роль и механизмы деятельности системы обоняния, а также причинно- следственные связи между нарушением обоняния и нейродегенера- тивными заболеваниями изучаются в крупнейших университетах и научных центрах мира.
Растительные ароматические вещества - одна из составных частей воздушной среды, с которой человек много тысячелетий живет в теснейшем взаимодействии. Они состоят из сотен компонентов и являются регуляторами жизненно важных процессов как для самих растений, так и для всех живых существ. Флора и фауна тесно соприкасаются друг с другом. И растения, и организмы животных содержат вещества единой природы - белки и другие биологические компоненты. Например, в корнях солодки содержится кислота, сходная по структуре с гормоном надпочечников глюкокортикоидом, фитоэстрогены некоторых растений схожи с женскими гормонами и по структуре и по воздействию на организм, а жасмин и фокиения (вьетнамский кипарис) проявляют свойства мужского полового гормона тестостерона.
Каждый год в атмосферу поступает около 900 млн тон растительных ароматических веществ! Они оказывают большое влияние на климат Земли, дают огромное количество энергии, которая обусловливает постоянный положительный заряд атмосферы по отношению к поверхности Земли, обеспечивают атмосферу биологически активным кислородом. Ведь это, ни много ни мало, а обеспечивает всем нам нормальную жизнедеятельность.
Растения выполняют функцию "санитаров биосферы": обеззараживают канцерогены и токсичные вещества, попадающие в окружающую среду, разлагают их на безопасные составные части, и пока еще спасают тем самым наше тяжелое экологическое положение.
Растения поддерживают жизнь живых организмов. В процессе эволюции сформировалась выраженная зависимость нормального функционирования организма человека от наличия в окружающей среде растительных ароматических веществ. Постоянно присутствующие определенные концентрации пахучих молекул составляют естественный фон окружающей среды: антимутагенный, антиканцерогенный, антиаллергенный, антистрессовый и еще много разных "анти-"... Разрушение этого целительного фона может привести к поломке систем регуляции центральных и вегетативных механизмов в организме. И тогда возникают болезни.
Развитие организма человека в естественной атмосфере на протяжении тысячелетий способствовало его тесному контакту с биологически активными компонентами растительных ароматических веществ, что привело к формированию определенной зависимости от них организма человека. В пользу этого свидетельствует факт значительного сходства химической структуры некоторых компонентов эфирных масел и ряда важных регуляторных факторов организма - стероидных гормонов, простагландинов, нейромедиаторов и др.
Обычный человек может различать до тысячи различных запахов, а у некоторых людей, обладающих особым даром "нюхача", диапазон этот намного шире - до 10 тысяч и более!
Это происходит благодаря наличию в нашем носу очень чувствительного обонятельного эпителия, расположенного на поверхности верхних носовых ходов и задней части носовой перегородки в виде участка слизистой, занимающего площадь примерно в 5 см2 (по 2,5 см2 в каждом носовом ходе), где находится слой специальных клеток-рецепторов, воспринимающих запахи (у человека приблизительно 6 млн таких обонятельных клеток; для сравнения, у кролика - около 100 млн, у немецкой овчарки - более 200 млн!).
В настоящее время ученым удалось выстроить всю цепочку - от взаимодействия пахучего вещества с рецептором до формирования в мозге четкого впечатления определенного запаха. Немаловажную роль в этом сыграли исследования американцев Ричарда Аксела и Линды Бак, за которые они были удостоены Нобелевской премии 2004 года по физиологии и медицине.
Ученых поразило то, что в распознавании запахов задействовано более 3% общего количества генов организма! Причем, каждый ген содержит информацию об одном-единственном обонятельном рецепторе, который реагирует с пахучими веществами.
Обонятельные клетки развиваются достаточно рано: уже у 8-11-недельного плода они хорошо дифференцированы и предположительно способны выполнять свою функцию; к 20-22-й неделе достигают зрелости, а к 38-40-й - полной зрелости.
Аспект воздействия запахами на мозговые центры
Научно доказано, что ароматические вещества - компоненты эфирных масел воздействуют именно на глубокую лимбическую систему как структуру, напрямую связанную с обонятельной системой.
Лимбическая же система в ответ на воздействие запахов обеспечивает нормальную саморегуляцию на всех уровнях и во всех системах организма, т.е., можно сказать, что
ароматические вещества помогают организму самому справиться с болезнью.
Благодаря тесной связи "обонятельного мозга" с нейроиммунно- эндокринной системой, запахи способны влиять на функции многих органов, а отсюда - через систему обоняния посредством запахов можно корректировать функции организма!
Запахи могут восстанавливать гармонию лимбической системы, что приводит к нормализации физиологических функций, улучшению самочувствия, поддержанию здоровья. Поэтому ни в коем случае нельзя лишать себя природных запахов, нужно больше бывать на природе, гулять в лесу, парке и т.д.
Но запахи могут также и нарушить гармонию лимбической системы, вызвав тем самым целый ряд отклонений в нашем самочувствии и даже привести к проблемам со здоровьем. При глубоких нарушениях функционирования лимбической системы возникают отклонения в эмоционально-волевой сфере (отсюда - асоциальное поведение, агрессия, нарушение пищевого и сексуального поведения, различные фобии, безразличие и пр.), грубые нарушения памяти, нарушения сознания, дисфункция эндокринной, иммунной и нервной систем, нарушения сна и пр. Так что с запахами шутить не рекомендуется.
Возможность воздействовать через обонятельную систему на важные мозговые центры открывает перед медициной широкие перспективы в профилактике и лечении многих функциональных отклонений и заболеваний.
Недавно наши отечественные ученые Сибирского отделения РАН (Институт цитологии и генетики, Институт катализа им. Г.К. Борескова и Международный томографический центр) сделали важное открытие: выявили новый канал доставки лекарственных препаратов в мозг человека - по волокнам обонятельных нервов. Это открывает совершенно новые возможности для диагностики, а также для прямой доставки лекарственных препаратов непосредственно в мозг, в жизненно важные мозговые центры!
Кстати, интраназальное (в полость носа) применение лекарственных средств давно известный и в настоящее время широко применяемый путь введения целого ряда препаратов. Он используется для вакцино- профилактики, лечения мигрени, остеопороза, аденомиоза, половой дисфункции, иммунодефицитов (препарат Тимоген) и даже проведения заместительной инсулинотерапии. Важнейшей особенностью интра- назального введения лекарственных средств является возможность их проникновения непосредственно в центры головного мозга, связанные, как известно, со многими важнейшими системами организма.
За пределами носа обнаружены до двухсот типов обонятельных рецепторов: в простате, кишечнике, коже и даже в сперме. В сперматозоидах они обеспечивают хемотаксис - движение к яйцеклетке по "запаху" выделяемых ею химических веществ, в кишечнике - помогают высвобождению серотонина. Находящиеся в кератиноцитах (клетках внешнего слоя кожи) обонятельные рецепторы OR2AT4 (их открыли и исследовали немецкие ученые) реагируют на одорант сандала повышением в них концентрации ионов кальция, что заставляет кератиноциты делиться, мигрировать и регенерировать, а это способствует восстановлению поврежденной кожи!
Другие обонятельные рецепторы ученые обнаружили в клетках кожи, синтезирующих пигмент меланин, и в фибробластах. А вот за что они отвечают, еще предстоит выяснить.
Как влияют на нас ароматы
Через органы обоняния растительные ароматические вещества действуют в сверхмалых дозах, всего 1012 -1010, но, независимо от того, ощущаем мы их в атмосфере или нет, оказывают на нас положительный биорегулирующий эффект.
Лроматерапию рассматривают как своеобразную фармакотерапию. Через систему обоняния компоненты эфирных масел воздействуют на различные органы и системы. Кроме того, молекулы эфирных масел проникают с вдыхаемым воздухом в альвеолы легких, откуда через их мембрану и мембрану капилляров, их окружающих, попадают в кровеносное русло и далее, как уже указывалось, во все органы и ткани (А.Т. Быков, Т.Н. Маляренко, 2009) .
К настоящему времени показано множество эффектов влияния обонятельных сигналов на центральную нервную, нейрогуморальную и эндокринную системы, которые описываются как изменение физиологического состояния и поведения.
Благодаря растительным ароматическим веществам наш организм способен постоянно ориентироваться в среде своего обитания. Длительное отсутствие в атмосфере ароматических веществ (например, в замкнутом пространстве помещений офисов и квартир, в космическом полете, выраженный их дефицит в условиях асфальтового мира городов) отрывает человека от биосферы. В результате ломается естественная биорегуляция всех функций организма, что может стать причиной развития болезней.
Кроме того, сенсорные притоки (звуки, запахи, тактильные ощущения) крайне важны для мозга, так как они во многом обеспечивают его энергетический потенциал, активируют рост нервных клеток, ускоряют переработку информации в центральной нервной системе, стимулируют когнитивные (познавательные) функции, такие как память, внимание, психомоторную координацию, речь, счет, мышление, ориентацию и др., оптимизируют функции вегетативной нервной системы. Отсутствие в окружающей среде ароматических веществ или значительное снижение чувствительности обонятельных рецепторов (поражение слизистой наса инфекцией, травмы, хронический насморк) создает условия для дизрегуляции центральных и вегетативных механизмов, что является причиной болезней, и в этой связи дополнительный обонятельный сенсорный приток (запахи) представляется не только желательным, но и необходимым, особенно у пожилых и старых людей (Быков, Маляренко, 2003; Bykov et al., 2006).
Запахи оказывают воздействие на нашу "физиологию" и эмоциональное состояние. Они могут возбудить аппетит, улучшить настроение и самочувствие либо ухудшить их, могут повысить или понизить работоспособность и даже заставить купить не очень нужную вещь, оказывают антистрессорное, седативное и расслабляющее, тонизирующее и стимулирующее, антисептическое, согревающее, гормоноподобное, сосудорасширяющее и другие действия.
Чувствительность же к запахам у всех людей разная.
Восприятие запахов зависит от индивидуальных особенностей каждого человека (его эмоционального состояния, гормонального фона, возраста, состояния слизистой носа), а также от внешней среды (обонятельные ощущения обостряются весной и летом, т.е. в теплую и влажную погоду) и температуры используемых эфирных масел (лучше всего ощущаются запахи теплых эфирных масел, подогретых до 37-38°С).
Очень чувствительно обоняние у детей и беременных женщин.
У женщин чувствительность к обонятельным сигналам может изменяться в зависимости от фазы менструального цикла. У большинства обоняние обостряется в периовуляторную (перед и сразу после овуляции) фазу, что подтверждено лабораторно. Снижена обонятельная чувствительность у женщин, принимающих гормональные контрацептивы.
По наблюдениям специалистов, болезненную чувствительность к ароматам испытывают неврастеники.
Способность воспринимать запахи меняется на протяжении всей жизни. Максимума острота обоняния достигает к 20 годам и примерно до 50-60 лет находится на одном и том же уровне, а затем начинает снижаться. Особенно заметно снижено обоняние у пожилых людей (старческая гипосмия или пресбиосмия). Хотя - все очень индивидуально, тем более, что в наше время достаточно причин для расстройства обоняния в любом возрасте.
Специалисты отмечают, что за последние несколько десятков лет процент людей, страдающих потерей обоняния, значительно вырос (согласно данным Национального института здоровья США, за двадцать лет - в восемь раз!), причем значительно преобладает молодежь. Причиной, как считают, является плохая экологическая ситуация в мире.
От того, что мы вдыхаем, зависит внутричерепное давление, крово- и лимфообращение, работа сердца и нервной системы.
Ароматы оказывают положительное влияние на работу центральной нервной системы: обладают седативным и антидепрессантным эффектом (лаванда, мята, апельсин), снимают стрессовые состояния, повышают внимание и реакцию, работоспособность и умственную активность, улучшают память.
Запахи обрабатываются в той же области мозга, которая отвечает и за память. Известный нейрофизиолог академик Наталья Петровна Бехтерева советовала при нарушении памяти, замедлении ассоциативных процессов в мозгу наряду с применением фармакологических препаратов, улучшающих деятельность мозга, обязательно применять не менее эффективное благотворное действие естественного отдыха на природе - прогулок в лесу, потому что сопровождающие их запахи оказывают очень благотворное воздействие на сложные механизмы памяти. Известно, что хвойные породы вырабатывают от 4 до 30 кг фитонцидов на 1 га насаждений; можжевельник, например, - более 30 кг!
Ароматические вещества воздействуют на функциональное состояние и физиологическую активность мозга (которая, нужно сказать, имеет огромное влияние на то, как мы думаем, чувствуем и ведем себя в тот или иной момент). Так, аромат розмарина обладает мощным активирующим действием на структуры головного мозга и улучшает работу зрительного анализатора.
Некоторые растительные ароматы стимулируют выработку в организме важнейших биологически активных веществ. Запах лаванды, например, - очень важного гормона и медиатора серотонина - древнейшего из всех гормонов на Земле (серотонин участвовал в фотосинтезе первых растений и управлял нервными центрами древних головоногих моллюсков и допозвоночных животных!). В процессе развития человеческого эмбриона серотонин формируется как один из самых первых гормонов. Он присутствует в головном мозге, пищеварительном тракте, шишковидной железе и тромбоцитах.
Серотонин влияет на аппетит, сон, настроение и эмоции, сосудистый тонус (снижение уровня серотонина в мозге является одним из факторов формирования депрессивных состояний и тяжелых форм мигрени), играет роль в регуляции сократимости матки и маточных труб и в координации родов (продукция серотонина в мышце матки возрастает за несколько часов или дней до родов и еще больше увеличивается непосредственно в процессе родов), необходим для нормального процесса овуляции у женщин, что обеспечивает выход полноценной яйцеклетки и возможность оплодотворения.
В нашем организме ежедневно вырабатывается необходимый для жизнедеятельности объем серотонина. Но для этого обязательно необходим ультрафиолет. Недостаток солнечного света в зимнее время года является частой причиной распространенной сезонной депрессии.
При достаточном уровне серотонина человек пребывает в душевном равновесии, контролирует свои поступки, становится более терпимым, уравновешенным в общении с окружающими (поэтому серотонин еще называют "гормоном душевного равновесия" и "социальным гормоном"), оптимально готов к телесной, психической, умственной нагрузке. Серотонин освобождает от чувства голода, увеличивает бодрость духа и концентрацию внимания, делает засыпание быстрым и легким, а сон глубоким, уменьшает чувствительность к температуре и ее перепадам, к болевым ощущениям, укрепляет память и улучшает способность к обучению, создает психическую стабильность, душевное спокойствие, терпимость к окружающим, уверенность в себе. Он прогоняет тоску и возвращает радость жизни.
Когда же в организме не хватает серотонина, человек постоянно чем-то недоволен, испытывает чувство беспокойства, даже когда для этого нет реальных причин, впадает в депрессию, у него часто нарушается сон, появляется раздражительность, гневливость, конфликтность в отношениях с окружающими, обидчивость, наблюдается поведенческая расторможенность, склонность к зависимому поведению (алкоголизму, азартным играм), повышенной агрессии, высокой импульсивности, неврозам и различным их проявлениям.
Стимулирует выработку серотонина ароматические вещества лаванды, нероли, майорана, ладана, ванили, розы, жасмина, цитрусов (последние содержат индол, который через триптофан связан с выработкой серотонина), а также запах кофе.
Аромат жасмина стимулирует выделение эндорфинов ("гормонов счастья"), которые повышают настроение, действуют антидепрессивно, являются естественными болеутоляющими веществами организма; а герани действует на нейромедиатор ацетилхолин, который контролирует системы мышц и органов, память, мышление, сосредоточение внимания.
Ароматы мяты понижают количество катехоламинов (адреналин, норадреналин, дофамин) - химических посредников во взаимодействиях между клетками, которые влияют на активность обмена веществ, сгорание углеводов, жиров и аминокислот, повышение чувствительности клеточных мембран к половым гормонам и гормону роста, прямое или косвенное повышение активности эндокринных желез, стимулирование гипоталамуса и гипофиза, а через них - гормональной функции. Чем активнее вырабатываются катехоламины, тем лучше наш организм приспосабливается к окружающей среде. Кстати, дофамин является антагонистом серотонина, остюда - увеличение уровня дофамина приводит к снижению уровня серотонина (и депрессии), и наоборот.
Обоняние человека влияет наздоровье
Кроме рефлекторного, существует ассоциативный механизм восприятия запахов, влияющий в основном на психоэмоциональную сферу человека. Наше настроение подвержено влиянию ароматов не меньше, чем наша физиология. Пример тому - действие запахов лаванды, камфоры, апельсина, нероли, герани, которые бодрят, внушают оптимизм, снимают депрессию, подавленность, раздражительность. Одни запахи настраивают нас на сентиментальный лад, другие действуют возбуждающе, запахи могут навевать легкую грусть, вызывать желание активной деятельности.
У большинства людей улучшается настроение от запахов хвои, цитрусовых; запахи розы, ландыша, жасмина вызывают положительные эмоции. А вот аромат черемухи или багульника вызывает беспокойство, раздражение и головные боли.
Запахи мускатного ореха, валерианы, мяты действуют антистрес- сорно, снимают подавленность, оказывают расслабляющее действие, усиливают ощущения счастья, спокойствия.
Волокна обонятельного тракта приносят импульсы к двум небольшим, но значимым участкам мозга, отвечающим за настроение: locus ceruleus ("голубое пятно"), в котором содержится норадреналин, и raphe nucleus ("ядра шва"), содержащие серотонин.
Эфирные масла розмарина, лимона, базилика, мяты перечной обладают стимулирующим действием на "голубое пятно", вследствие чего выделяется норадреналин (и потому их действие на организм стимулирующее), а вот лаванда, нероли, майоран воздействуют на "ядра шва", вследствие чего высвобождается "гормон радости" и антидепрессант серотонин. (Поэтому эти эфирные масла обладают седативным эффектом).
Отмечаемое при ароматерапии улучшение настроения связывают с ноотропной активностью некоторых эфирных масел: как уже говорилось, запах жасмина стимулирует выделение эндорфинов, герани - ацетилхолина, лаванды - серотонина, мяты - способствует снижению повышенного количества катехоламинов.
В свою очередь, "эмоциональные" структуры мозга, реагирующие на запахи, тесно связаны с областями головного мозга, регулирующими жизненно важные физиологические функции организма: частоту сердечных сокращений, кровяное давление, ритм и глубину дыхания.
Запахи обладают мощным мотивационным воздействием. Даже не будучи ощущаемыми, они управляют нашим сознанием, помогают выбирать друзей и партнеров, информируют об опасности, изменяют настроение, способны привлечь или оттолкнуть людей друг от друга, влияют на поведение, в том числе половое. При этом особенно мощно действуют так называемые половые аттрактанты или феромоны, необходимые для привлечения особей противоположного пола.
Есть даже такое понятие как химическая коммуникация, или обмен информацией посредством запахов.
Позже появились данные, что и мужские запахи влияют на менструальные циклы и время наступления овуляции у женщин. А ученые из Филадельфии открыли возможность влияния феромонов на нормализацию и стабилизацию веса человека и даже его омоложение.
Итак, существует дополнительная обонятельная система, которая позволяет бессознательно ощущать определенные химические сигналы, подаваемые людьми, находящимися рядом с нами, управляет нашими нейроэндокринными и поведенческими реакциями, играет ключевую роль в регуляции репродуктивного и материнского поведения, она непосредственно связана со структурами мозга, регулирующими выработку гормонов (у женщин, как уже упоминалось, под действием таких сигналов могут изменяться гормональные циклы).
Разделение слоев основной и дополнительной обонятельных луковиц начинается после 8-й недели развития и завершается к 20-22-й. Как показали исследования, нервные волокна основной и дополнительной обонятельной систем образуют единый нервный пучок на пути к переднему мозгу; дополнительная обонятельная луковица не дегенерирует у плода, сохраняется до 35-й недели, что не исключает существования вомероназальной системы обоняния на поздних сроках внутриутробного развития, а также у новорожденных и взрослого человека.
У человека вомероназальный орган представлен небольшим углублением (вомероназальной ямкой) - крошечным образованием, расположенным в 1,5-2 см от края ноздри, в стенке носовой перегородки на границе хрящевого и костного ее отделов, что достаточно далеко от обонятельного эпителия. Он наблюдается в явном виде почти у 70% взрослых людей с двух сторон, примерно у 8-19% обнаруживается лишь с одной из сторон носовой полости. Интересно, что у людей с гипогонадотропным гипогона- дизмом (синдром Кальмана), характерным симптомом которого является аносмия (отсутствие обоняния), вомероназальный орган отсутствует.
Вомероназальный орган имеет входы в некоторые области гипоталамуса, участвующие в регуляции репродуктивного, защитного, пищевого поведения, нейрогуморальной секреции (в первую очередь гонадотропных, т.е. имеющих влияние на половые органы, гормонов).
Дополнительный путь восприятия запахов проходит параллельно главному, с ним не пересекаясь. Он идет в обход главным обонятельным луковицам и коры головного мозга - в дополнительные, находящиеся в переднем мозге, а уже от них - к структурам, которые заведуют репродуктивным и материнским поведением: гипоталамусу - главному регулятору эндокринной системы и многих функций организма, тесно связанному с лимбической системой и корой мозга (в гипоталамусе находятся центры регуляции эмоций и поведения), и от него - к передней доле гипофиза, которая вырабатывает гормоны, влияющие на работу половых желез, и к структуре лимбической системы - упоминаемой уже миндалине у отвечающей за эмоции: эмоциональное восприятие, эмоциональную память и контроль эмоций.
И если основная обонятельная система имеет представительство в коре больших полушарий головного мозга, благодаря чему мы ощущаем и запоминаем запахи, то проекции вомероназального органа в коре мозга на сегодняшний день не обнаружено (электроэнцефалографи- ческие исследования, к примеру, показали, что при действии феромонов активируются не корковые, а передние таламические структуры, участвующие в анализе обонятельных сигналов; таламус - структура промежуточного мозга - является подкорковой "станцией" для всех видов чувствительности), что позволяет говорить о том, что дополнительная обонятельная система реализуется на более примитивном, подсознательном уровне и запахов явно "не слышит", а также не связана с когнитивными функциями мозга - памятью, вниманием, речью, счетом, мышлением, ориентацией и др.
Согласно современной концепции «дуального обоняния», мы имеем две обонятельные системы - основную и дополнительную.
Основная обонятельная система начинается в обонятельном эпителии полости носа и проецируется в кору больших полушарий мозга («обонятельный мозг»). Благодаря ей мы ощущаем, запоминаем, различаем запахи, они влияют на когнитивные функции нашего мозга (память, речь, счет, мышление, внимание и т.д.) и функционирование систем организма.
Дополнительная обонятельная система начинается в специальном воме- роназальном органе, расположенном в носу, проходит параллельно основному пути в участки мозга, которые заведуют репродуктивным и материнским поведением (гипоталамус-гипофиз и миндалина). Не имея проекции в коре больших полушарий, она реализует свои эффекты на более примитивном, подсознательном уровне, отвечая за половое поведение, а феромоны для нас «не пахнут».
Память является сложной психической деятельностью. Основные процессы в ее структуре - это запоминание, сохранение, припоминание, восстановление (узнавание, воспроизведение), а также и забывание.
Ученые доказали: ничто так не связано с памятью, как запах. Знакомые запахи пробуждают старые воспоминания с большей активностью, чем знакомые виды или звуки.
В мозге отделы, обеспечивающие восприятие запахов, тесно связаны с зонами, ответственными за возникновение эмоций. Поэтому все запахи эмоционально окрашены и могут надолго сохраняться в эмоциональной памяти и активизировать ее ("запах порождает образ"), что вызывает у нас те или иные эмоциональные переживания. Пережитые же эмоции - как положительные, так и отрицательные - запоминаются и в дальнейшем выступают в виде сигналов, побуждающих нас к действию либо удерживающих от действий.
У североамериканских индейцев существовал своеобразный способ фиксации в памяти дорогих и важных событий и переживаний. Они носили при себе (крепили к ноге) специальные флакончики с составами, обладающими сильными и характерными ароматами - "запахами событий", и в те минуты, воспоминание о которых им хотелось удержать в памяти, они открывали какой-нибудь из них и вдыхали из него запах. Запах увязывался с событием, и потом, даже через много лет, мог пробудить необычайно яркие и живые воспоминания и даже восстановить зрительную картину события.
Обоняние и вкус, некогда столь же необходимые человеку для выживания, как слух, осязание и зрение, ныне гораздо слабее развиты, чем у животных, и играют второстепенную роль.
- Для многих истинная красота роз скрыта в их упоительном аромате.
- Лизнув мороженое кончиком языка, мы во всей полноте ощущаем его изумительный вкус!
С тех пор как человек поднялся с четверенек и оторвал нос от земли, его жизнь перестала в той же мере зависеть от обоняния и вкуса, как жизнь других животных. Утратив былое значение, эти физические чувства теперь служат человеку почти исключительно для выбора и получения удовольствия от еды и питья.
Химическая природа чувств
У вкуса и обоняния общая химическая природа. Это значит, что они представляют собой реакцию на присутствующие в окружающей среде химические вещества. Пробуя что-то на вкус, мы ощущаем присутствие во рту тех или иных химических веществ, а чувствуя запах - регистрируем их наличие в воздухе в газообразной форме.
Чистый воздух представляет собой смесь не имеющих запаха газов - главным образом, азота (78%) и кислорода (21%) с незначительными примесями инертных газов. Воздух может содержать до 5% водяных паров, тоже не имеющих запаха. Любые другие примеси потенциально можно обнаружить по запаху. Даже самые ничтожные концентрации химических примесей можно учуять носом, который подскажет хозяину, что годится в пищу, а что нет, что издает неприятный запах (и лучше держаться от него подальше), а что, возможно, является запахом другого животного - друга или врага.
Обоняние
Хорошо известно, что мы способны распознавать гораздо больше оттенков запаха, чем звуков. Однако ученым трудно уяснить, что же происходит, когда мы обоняем запах, как присутствующие в воздухе химические вещества воспринимаются носом и интерпретируются мозгом. До сих пор нет четкого понимания и того, как язык распознает и преобразует химические вещества во вкусовую информацию.
- Любой шеф-повар скажет, что нельзя судить о свежести продукта по одному внешнему виду. В этой профессии не обойтись без тонкого обоняния.
Тончайшие волоски
Впрочем, известно, что небольшой участок в задней части носовой полости изобилует нервными окончаниями, воспринимающими запахи. Этот участок, называемый обонятельным эпителием, или обонятельной областью, буквально напичкан миллионами нервных окончаний. Каждое из них имеет не меньше десятка тончайших волосков, или жгутиков. Они постоянно увлажняются слизью, которая тоже служит ловушкой для пахучих веществ. Но из-за недоступности обонятельной области ученым трудно исследовать происходящие в ней процессы.
Полагают, что при вдыхании с воздухом доступных нашему обонянию пахучих веществ они растворяются в слизи, увлажняющей жгутики, в результате чего эти тончайшие волоски покрываются раствором пахучих веществ. Реагируя на них, жгутики посылают сигналы обонятельным клеткам для дальнейшей передачи по соответствующим нервным волокнам (их называют обонятельными нервами). Затем эти сигналы передаются в обонятельный мозг - участок головного мозга, гораздо слабее развитый у людей, нежели у животных.
Основные запахи
Насколько мы можем судить, все обонятельные клетки, действующие как рецепторы распознаваемых по запаху химических веществ, абсолютно одинаковы, по этому остается загадкой, как они различают тысячи многообразных запахов.
За многие века люди выделили шесть "основных" запахов: цветочный, фруктовый, зловонный, пряный, смолистый (как скипидар) и запах гари.
Чтобы обладать запахом, вещество должно испарять микроскопические частицы. Наименьшими "кирпичиками" любого вещества являются молекулы, и, как полагают, обонятельные клетки способны различать молекулы по их форме.
Частицы и запах
Чем больше частиц испускает вещество, тем сильнее запах. Например, кипящий на плите куриный суп пахнет сильнее, чем холодная курятина на тарелке, так как с паром в воздух попадает больше пахучих частиц. Они-то и распознаются как запахи в силу своей способности растворяться в воде. Под воздействием тепла в воздух попадает больше частиц, а содержащаяся в воздухе влага обеспечивает их повышенную концентрацию, поэтому в теплой и влажной атмосфере запахи усиливаются. Вероятно, вы и сами замечали, что в теплой дымке после летнего дождя усиливается благоухание сада или травы; или что щепотка соли для ванн издает в горячей воде более сильный аромат, чем целая сухая упаковка.
Адаптация и маскировка
Если вы войдете в помещение, где кто-то ест котлеты с луком, резкий запах тотчас ударит вам в нос, хотя находящиеся здесь же люди его не замечают. Это явление называется адаптацией. Причина, по-видимому, в том, что когда все рецепторы "заполнены" пахучими химическими частицами, они перестают посылать сигналы в мозг.
Возможно, вы задавались вопросом, как освежители воздуха устраняют неприятные запахи. Этот эффект называется маскировкой. Освежитель вовсе не удаляет из воздуха дурно пахнущие частицы, но благодаря его присутствию мы перестаем их замечать. Нечто подобное происходит и при маскировке слуха, когда громкий звук заглушает более тихий, даже если наши уши воспринимают обе частоты. Мы пока не знаем, почему один запах "громче" другого. Само собой, если в воздухе присутствуют два запаха, маскировка происходит далеко не всегда. Часто оба запаха смешиваются либо по-прежнему воспринимаются по отдельности.
Вкус
О вкусе известно гораздо больше, чем об обонянии, и принято считать, что основных вкусов всего четыре: сладкий, соленый, кислый и горький. Но всем богатством оттенков того, что называют вкусом, мы обязаны обонянию. Должно быть, вы успели заметить, что при сильной простуде обоняние на время пропадает, и пища становится безвкусной. А дело в том, что при простуде вы получаете информацию о вкусе только с языка. Как показали опыты, пробуя продукты на вкус только языком, человек не отличает даже очищенного яблока от сырого картофеля.
Рецепторы, улавливающие сигналы от растворенных химических веществ, из которых состоит наша пища, называются вкусовыми сосочками. Это скопления микроскопических клеток, или нервных окончаний, на крохотных бугорках, расположенных на языке, нёбе и гортани. Каждый вкусовой сосочек - это гроздь из 50 с лишним клеток, соединенных с мозгом нервными волокнами. Все вкусовые сосочки способны различать четыре основных вкуса. Некоторые из них служат опорными клетками, остальные же - вкусовыми. Подобно рецепторам запаха, каждая вкусовая клетка имеет крохотный волосок (микровиллу). Внешние оконечности вкусовых сосочков соединены с осязательными нервами, благодаря чему вкус и осязание пищи во рту тесно связаны между собой. Услышав спор о том, какая говядина вкуснее - тонко или грубо нарезанная, - вы можете задаться вопросом, а в чем, собственно, разница. Однако от осязания пищи языком зависит и ее вкусовое восприятие.
Строение языка
Лучше всего реагирует на сладкое верхушка (кончик) языка, на кислое - его боковые края, на соленое - область по соседству с верхушкой и на горькое - прикорневая область. Как и рецепторы запаха, все вкусовые сосочки похожи друг на друга, однако в разных отделах языка они поразному сгруппированы. Все еще остается загадкой, как одни и те же клетки воспринимают разные раздражители. Ученые полагают, что организм вырабатывает так называемые рецепторные вещества, с помощью которых ощущаются различия во вкусе. До сих пор в опытах на животных были открыты только протеины, действующие как рецепторы горечи и сладости. Не исключено, что разные отделы языка вырабатывают разные количества рецепторных веществ. Хотя четкого представления о том, как это происходит, ученые пока не имеют, но уже сейчас можно с достаточной уверенностью предположить, что, вступая в контакт с растворенными химическими веществами, вкусовые сосочки издают соответствующий электрический импульс, который по нервам поступает в головной мозг.
Вкусно или нет?
Помимо вкуса, на наше представление о том, что мы едим, влияет целый букет впечатлений. Прежде всего, газы, выделяемые при пережевывании пищи, поднимаются в полость носа, воздействуя на обоняние. Значение имеет и структура пищи. К процессу подключаются температурные и болевые ощущения - ведь острая пища стимулирует болевые рецепторы (мазнув аджикой по лицу, вы ощутите на коже такое же жжение, как и на языке). Рецепторы осязания и давления подсказывают, что у нас во рту - хрустящие кусочки или крем, жесткая пища или мягкая; уши воспринимают звуки, издаваемые пищей при пережевывании. И, само собой, память - мы надолго запомним вызвавшее отвращение блюдо.
Наконец, глаза докладывают о внешнем виде того или иного блюда, и мы не раз возвращаемся к нему в памяти. Вероятно, у вас не раз текли слюнки не только при виде, но и при одной мысли о чемнибудь вкусненьком. Можно провести с друзьями любопытный эксперимент, пробуя что-нибудь на вкус с завязанными глазами. Вы, например, обнаружите, что не можете отличить апельсиновый сок от грейпфрутового, не видя их и не представив заранее вкуса. Любой хороший повар знает, что красиво оформленное блюдо усиливает аппетит, и ваши эксперименты это подтвердят. Что ни говори, а мы все же привыкли больше полагаться на зрение, чем на обоняние и вкус.
- Наш нюх гораздо слабее, чем у животных, и большинство людей просто не ощущает издаваемых нами природных запахов для привлечения сексуального партнера, полагаясь в этом на искусственно созданные ароматы.
- Определяя качество вина, опытный дегустатор полагается не только на чувствительное нёбо, но и на тонкое обоняние. Для настоящего знатока в букете вина нет секретов.
Знаете ли вы?
- Произрастающий в Западной Африке плод называют "волшебным", потому что он превращает кислую пищу в сладкую. Полагают, что он содержит протеин, заставляющий вкусовые сосочки подавать сигналы о наличии сладости в присутствии кислоты.
- Соленый и сладкий вкус имеют больше общего, чем кажется на первый взгляд. При очень высокой (пороговой) концентрации соль кажется сладкой.
- По некоторым оценкам, для определения вкуса нам требуется в 25 000 раз больше вещества, чем для определения запаха.
- У взрослого человека около 9000 вкусовых сосочков. Удетей их больше.
- Летучие вещества, например, бензин, обычно обладают сильным запахом, так как попадают в нос в довольно высокой концентрации.
- Желая хорошенько принюхаться к чему-нибудь, мы автоматически втягиваем воздух носом, чтобы захватить побольше пахучих частиц.
С. САМСОНОВ, кандидат биологических наук.
В познании фоторецепции – работы органов зрения за последнюю четверть века достигнуты существенные успехи. Механизмы обоняния, восприятия запахов изучены значительно меньше, хотя интерес к ним продолжает возрастать. Перспективные результаты, имеющие не только научную, но и практическую ценность, получены в лаборатории рецепции Института биологической физики АН СССР, которой руководит профессор Е.Е. Фесенко.
Орган обоняния поистине уникален. Он способен быстро распознавать огромное число самых различных веществ, хотя бы их было ничтожно мало – всего несколько сотен молекул в кубическом сантиметре окружающего нас пространства. Природный анализатор запахов неизмеримо превосходит соответствующие приборы, созданные людьми. Как писал академик П.Л. Капица, «физика располагает приборами во много раз чувствительнее наших органов чувств. Только... обоняние... у животных более совершенно...». И считал одной из важнейших проблем физики будущего – «догнать обоняние собаки».
Очевидно, чувство обоняния появилось у представителей животного царства раньше остальных. В глубинах теплых древнейших морей оно расширило возможности поисков пищи, особей другого пола и, конечно, помогало избежать опасности.
С тех пор миновала длинная череда миллионолетий, но свое непреходящее значение обоняние сохранило и сейчас. Конечно, люди в смысле восприятия запахов многое потеряли по сравнению со своими далекими предками и в ряду живых существ занимают в этом отношении скромное место. И все же современный человек способен уловить разницу между доброй сотней тысяч различных соединений и множеством их комбинаций. Можно сказать, что это даже слишком много, поскольку человеческий язык не в состоянии дать каждому из запахов достаточно полную качественную характеристику. Слишком беден словарный запас.
Исследователи постоянно стремятся найти у пахучих соединений общие черты, обусловливающие их восприятие. Например, имеет значение молекулярная масса вещества: она должна находиться в диапазоне 17...300 дальтон – только тогда они для нас пахнут. И тем сильнее, чем больше и сложнее молекула, но тоже до определенных пределов, поскольку при усложнении уменьшается летучесть вещества, а это свойство определяет распространение запаха.
Делались попытки найти зависимость между особенностями восприятия различных веществ и формой их молекулы. Американский ученый Дж. Эймур, анализируя несколько сотен органических соединений, пришел к выводу, что их можно сгруппировать вокруг семи основных запахов: камфорного, мускусного, мятного, эфирного, цветочного, острого, гнилостного. Каждая группа имеет внутреннее сходство в молекулярном строении, а на мембранах рецепторных клеток должны находиться стереоспецифические активные центры семи типов. Так появилась на свет стереохимическая теория, ставшая существенным шагом вперед на пути классификации запахов, хотя она и носила в значительной степени умозрительный характер. Последующие исследования показали, что дело обстоит сложнее, чем предполагал Дж. Эймур, и воздействие на клетки, воспринимающие запах (обонятельные рецепторы), определяется не только формой, но и другими параметрами молекулы.
Результаты многих исследований также окончательно подтвердили, что обонятельный анализатор животных способен обнаруживать чрезвычайно низкие концентрации пахучих веществ. Особенно он чувствителен у насекомых, улавливающих издалека присутствие полового феромона, даже если в кубическом сантиметре воздуха его не более 100 молекул. Но все-таки многие свойства рецепторной клетки продолжали оставаться неясными.
Одним из центральных вопросов, вставших перед исследователями, была необходимость найти тот элемент клетки, с помощью которого она воспринимает запахи.
Предварительно стоит коротко рассказать об общей организации обонятельной системы у позвоночных. Рецепторные клетки обонятельного эпителия играют роль первичного механизма, улавливающего запахи извне. Они, по существу, являются нервными клетками, и от каждой из них отходит очень тонкий (диаметром около 0,2 микрометра) отросток – аксон, который оканчивается на поверхности одного из периферических отделов головного мозга – обонятельной луковицы. Здесь происходит первичная обработка полученной пахучей информации. Далее она передается по нервным волокнам обонятельного тракта в соответствующие участки головного мозга.
Обычно обонятельные клетки имеют веретенообразную форму и наделены периферическим и центральным отростками. Первый заканчивается обонятельной булавой, усаженной тончайшими волосками (антеннами), имеющими довольно сложное строение. Антенны содержат набор трубчатых фибрилл, напоминая в этом отношении жгутики или реснички, широко распространенные в мире простейших. Они находятся в постоянном движении, напоминая при разглядывании в микроскоп колосящуюся ниву.
Центральный отросток – аксон представляет собой не что иное, как ответвление обонятельного нерва. Аксоны разных клеток объединены в группы по 20...100 волокон и в составе обонятельного нерва идут к уже упомянутой обонятельной луковице.
Анализаторы различных животных могут существенно отличаться друг от друга. Разница заключается не только в плотности размещения рецепторных клеток, но и в их общем количестве. Для примера сравним собаку и человека. Разница в восприятии запахов у них громадна, хотя на квадратный сантиметр обонятельного эпителия приходится примерно одинаковое число рецепторных клеток. Зато их общее количество у собаки в 20...25 раз больше, чем у человека, и составляет около 200 миллионов. Поскольку каждая рецепторная клетка имеет свой аксон, обонятельный нерв собаки представляет собой «кабель», содержащий 200 миллионов «жил»!
Строение участка эпителия – приемника запахов
Кроме обонятельных, в составе эпителия имеются опорные клетки. Они образуют каркас эпителия, поддерживающий его структуру. Это, однако, не единственная их функция. Ряд исследователей полагают, что они не только поддерживают рецепторные клетки, но и помогают им в обмене веществ.
Есть еще третий тип клеток – базальные, находящиеся в глубине эпителия. Они образуют клеточный резерв, из которого при необходимости формируются рецепторные и опорные клетки. Поверхность эпителия, выстилающего обонятельную полость, покрыта слизью, что характерно для всех позвоночных. Слизь защищает эпителий от высыхания у наземных животных и от излишнего смачивания – у водных. Кроме того, она является источником ионов, необходимых для генерации электрического ответа клетки (то есть сигнала в мозг о появлении запаха), и участвует, возможно, в удалении остатков пахучих веществ с поверхности обонятельного эпителия по окончании их действия. В сущности, она является средой, где возникает и заканчивается взаимодействие пахучих веществ с обонятельными клетками.
Теперь вернемся к исследованию природы рецепторного элемента. Основой для постановки экспериментов послужила давно известная способность белков обеспечивать высокую специфичность и избирательность биологических реакций, в которые они вовлечены. Образно говоря, к каждому белку можно подобрать определенный «ключ», он будет единственным, и по нему можно узнавать, с каким «замком» имеешь дело. Ученые предполагали, что и обонятельные клетки не обходятся без белковых структур, взаимодействующих с пахучими веществами, но это надо было проверить.
Чтобы найти эти структуры, ученые решили ввести в клетку радиоактивное пахучее вещество, а затем, разделяя клеточные компоненты и измеряя радиоактивность каждого из них, найти тот, что взаимодействует с пахучей радиоактивной меткой. Это и будет кандидат в рецепторы пахучих веществ.
Для этих экспериментов необходимо было пахучее вещество с высокой удельной радиоактивностью. Выбор пал на камфору, которая часто используется в электрофизиологических экспериментах и обладает одним из 7 основных запахов по классификации Дж. Эймура. Здесь на помощь биологам пришли радиохимики из Института молекулярной генетики АН СССР, которые специально для этих опытов синтезировали радиоактивную камфору с нужными свойствами.
Опыты ставились следующим образом. На первом этапе с помощью соскоба получали препараты обонятельного эпителия лягушки и крысы с частичками мембран рецепторных клеток. В препарат вводили радиоактивную камфору и затем выделяли фракцию, содержащую радиоактивную метку. Для контроля то же самое проделывали с препаратами, приготовленными из других органов животного.
Как и следовало ожидать, компонент, способный эффективно связывать камфору при очень низких концентрациях последней, был обнаружен только в препарате обонятельного эпителия. В тканях языка, легких, печени его не оказалось. Удалось определить и молекулярную массу рецептора, составившую около 140 000 дальтон. В специальных экспериментах была установлена белковая природа рецептора. Исследователи показали, что молекула рецептора состоит из 2-х субъединиц с молекулярной массой 88 000 и 55 000 дальтон, причем центр связывания камфоры находится на большой субъединице. Как и предполагали, рецептор пахучих веществ оказался мембранным белком, практически не растворимым в воде.
Но полученные результаты не удовлетворили исследователей. Дело в том, что сама по себе способность связывать пахучее вещество еще не доказательство рецепторной природы того или иного компонента клетки. Она может оказаться случайной или играющей иную роль, не связанную с узнаванием пахучего вещества. В принципе в обонятельном эпителии могут быть несколько компонентов, способных связывать пахучие вещества, и только один из них может оказаться рецептором. Необходимо было еще раз проверить, но уже иными методами, что обнаруженные белки действительно служат рецепторами запахов.
Здесь исследователи пошли иммунохимическим путем. Если взять проверяемые белки, скажем, у крысы и ввести кролику, то там они сыграют роль «чужака»-антигена и, стало быть, вызовут образование антител к этим белкам. Если затем ввести антитела в препарат обонятельной ткани, то они, найдя там «свои» белки (кандидаты в рецепторы), помешают им связаться с радиоактивной камфорой. В этом случае электрического сигнала о получении запаха не будет. А если будет, то, значит, этот белок не рецептор.
Выполнив чрезвычайно трудоемкую операцию по извлечению нужных белков из крыс, исследователи иммунизировали ими кролика и получили в конечном итоге антитела к рецептору. Затем в специальных экспериментах было показано, что антитела эффективно блокируют связывание камфоры с рецептором. Остался последний, решающий шаг – показать, что антитела блокируют также электрический ответ клетки на пахучие вещества. Электрофизиологический эксперимент показал, что это действительно так. Сомнений в том, что выделенный белок относится к классу рецепторных, практически не осталось.
Иммунохимический подход позволил исследователям попутно решить еще две важные задачи. Во-первых, было определено место расположения рецепторов запаха в обонятельном эпителии. Как и предполагали, они локализованы в его поверхностном слое. Во-вторых, с помощью антител удалось резко упростить и ускорить процедуру выделения рецептора. Вместо прежних многосуточных процедур рецептор теперь можно выделить в течение 2...3 часов: для этого достаточно один раз пропустить препарат обонятельного эпителия через колонку с антителами. При этом через колонку проходят все компоненты препарата, кроме рецептора, который задерживает антитела. После удаления всех остальных компонентов рецептор вымывается из колонки специальным раствором, в котором ослабляется взаимодействие антитела и рецептора.
Сравнив свойства камфорных рецепторов из обонятельной ткани лягушки и крысы, исследователи обнаружили, что они очень похожи по своим свойствам. А как обстоит дело с рецепторами на другие пахучие вещества? Быть может, все они очень похожи друг на друга и составляют семейство обонятельных рецепторных белков, подобно зрительным пигментам различных животных? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо было синтезировать хотя бы несколько радиоактивных пахучих веществ, относящихся к разным классам запахов. К сожалению, синтез каждой такой метки представляет сложную и очень трудоемкую задачу, поэтому исследователи были вынуждены пойти по другому пути. Они сменили объект и стали использовать в опытах препараты обонятельного эпителия рыб, для которых химическими стимулами служат аминокислоты, а их радиоактивные аналоги легкодоступны.
Надо сказать, что рыбы обладают хорошо развитой обонятельной системой и способны реагировать на весьма низкие концентрации пахучих веществ. Некоторые аминокислоты и их смеси имеют сигнальное значение для рыб. Так, угорь находит моллюска, которого использует в пищу, по выделенному им в воду комплексу из 7 аминокислот. С давних пор известно, что лососи стараются обойти то место в реке, где медведь ловит рыбу. Было выяснено, что сигнал тревоги имеет химическую природу и вымывается из кожи медведя. Его назвали «фактором звериной шкуры». Оказалось, что главным компонентом этого фактора является аминокислота L-серин. Ее добавление в речную воду само по себе вызывает реакцию тревоги у лососей. В последнее время удалось экспериментально доказать возможность привлечения с помощью химических сигналов некоторых морских рыб.
Все это делает рыб весьма привлекательным объектом с точки зрения изучения механизмов восприятия запахов. В опытах сотрудников лаборатории, которые были проведены на базе Карадагской биостанции, использовались черноморские скаты-хвостоколы, обладающие хорошо развитым и легкодоступным обонятельным анализатором. В качестве стимулов применялись уже упомянутые L-серин и другие аминокислоты. Во всех случаях были обнаружены мембранные белки, способные эффективно связывать аминокислоты. Их характеристики, в частности молекулярный вес и субъединичное строение, оказались практически такими же, как у камфорного рецептора лягушки и крысы. Сегодня у исследователей нет сомнений, что они имеют дело с новым семейством рецепторных белков, уникальными свойствами которых в значительной степени объясняются рекордные чувствительность и избирательность обонятельного анализатора.
Последующие эксперименты показали, что, кроме белкового рецептора, в обонятельном эпителии животных присутствует другой высокомолекулярный компонент, также способный связывать пахучие вещества. В отличие от мембранного белка он растворяется в воде, и, по крайней мере, часть его находится в слизи, покрывающей обонятельный эпителий. Установлено, что он имеет нуклеопротеидную природу, его молекулярная масса составляет около 150 000 дальтон. Его концентрация в эпителии в несколько тысяч раз выше, чем мембранного рецептора, а специфичность по отношению к пахучим веществам значительно меньше. Принимает ли нуклеопротеид участие в восприятии пахучих веществ? Если да, то какова его роль в этом процессе? Исследователи полагают, что он входит в состав неспецифической системы, обеспечивающей очистку обонятельного эпителия от различных пахучих веществ по окончании их действия, что необходимо для приема других запахов. Иными словами, предполагается, что нуклеопротеид, попадая в слизь, способен усиливать ток слизи и тем увеличивать эффективность очистки обонятельного эпителия. Не исключено также, что нуклеопротеид, находясь в слизи, способствует растворению пахучих веществ в ней и, возможно, выполняет транспортные функции.
Молекула пахучего вещества, доставленная гранулой-адсорбентом к мембране клетки, взаимодействует с распознающим участком рецептора, который специальным белком G активирует аденилатцинлазу (АЦ) или какой-нибудь другой фермент. Синтезированные при этом внутриклеточные медиаторы (АТФ → цАМФ) активизируют ионные каналы, что приводит к возбуждению электрического сигнала в мозг о появлении запаха.
Исследователи располагают данными, указывающими на то, что нуклеопротеид синтезируется в опорных клетках и входит в состав пигментных гранул, которые выбрасываются из опорных клеток в слизь в ответ на стимуляцию обонятельного эпителия пахучими веществами. Может быть, это одна из основных функций опорных клеток при восприятии пахучих веществ?
Итак, результаты исследований говорят о том, что в процессе восприятия пахучих веществ участвуют две системы рецепторных элементов. Одна из них – система мембранных рецепторов – обеспечивает физиологический ответ клетки, характеризующийся высокой чувствительностью и избирательностью, вторая же – нуклеопротеидной природы – обеспечивает очистку обонятельного эпителия от пахучих веществ после приема сигнала.
Над чем сейчас работают ученые? Одна из задач – дальнейшее исследование свойств рецепторов и в частности определение функциональной роли малой (с молекулярной массой 55 000 дальтон) его субъединицы в реакции клетки на пахучее вещество. Но главное, пожалуй, сегодня не это. Необходимо понять, каким образом взаимодействие рецептора, с пахучим веществом вызывает генерацию электрического ответа клетки. По косвенным данным можно судить, что обонятельная клетка способна реагировать на одну (!) молекулу пахучего вещества – это предел физической чувствительности. Но в этом случае она должна обладать эффективной системой усиления слабых сигналов и чрезвычайно низким уровнем собственного шума. Расшифровать эти механизмы – значит сделать принципиальный шаг в познании общих принципов, лежащих в основе возбуждения клетки. И в этом направлении имеются уже первые успехи.
Познание тончайших механизмов восприятия разнообразнейших запахов, несомненно, имеет далеко идущие перспективы. Об этом свидетельствует то, что новые данные, полученные в лаборатории рецепции, быстро нашли выход в практику. Они послужили основой для разработки способа разделения тутового шелкопряда по полу. На первый взгляд проблема кажется не особенно важной, но такое впечатление ошибочно. С древнейших времен шелководство связано с сортировкой шелкопряда по половому признаку. До последнего времени операция производится вручную, что отнимает массу времени и сил.
Сотрудники лаборатории совместно со специалистами Среднеазиатского НИИ шелководства предложили оригинальный способ, который базируется на применении синтетического полового феромона. Этот способ дает научную основу для коренной модернизации производства грены (яичек шелкопряда) с помощью автоматизации ряда трудоемких операций. Его использование в промышленных масштабах сулит немалую экономию.
Наука и жизнь. 1988. №4.
Запах - это способность вещества воздействовать на рецепторы обонятельного анализатора, что сопровождается возникновением специфического ощущения.
Обоняние увеличивает объем информации об окружающем мире.
Существует несколько теорий восприятия запахов. По химической теории запах - это следствие присутствия в окружающей среде определенных концентраций пахучих молекул. Недостатком химической теории запаха является то, что она не объясняет, почему молекулы различных структур имеют одинаковый запах. В то же время молекулы, имеющие разное строение и химический состав, могут обладать одинаковым запахом.
Согласно стереохимической теории , запах обусловлен формой и размерами молекул, а не их химическим составом. Запах вещества зависит от того, насколько точно их молекулы вписываются в соответствующие лунки, расположенные на рецепторных мембранах обоняния. Однако эта теория не может дать ответ на все вопросы, связанные с восприятием запахов.
Согласно квантовой теории , восприятие запахов связано с колебательными движениями атомов, входящих в состав ароматических веществ. В результате колебаний атомов возникают электромагнитные волны, которые поглощаются рецепторной мембраной и трансформируются в ощущение запаха. Но эта теория не может объяснить, почему два вещества имеют совершенно разные запахи, хотя электромагнитные колебания их атомов полностью совпадают. Эта теория также не дает ответа на все вопросы [Губанов Н.И. и др., 1978]. По-видимому, имеют значение структура, форма молекул и их квантовые свойства. До сих пор не известно, какое именно свойство пахучего вещества вызывает нервный импульс.
У человека обонятельные клетки (обонятельные нейроны) входят в состав обонятельного эпителия. Они расположены в верхнем носовом ходе и задней части носовой перегородки. Обонятельные клетки лежат тонким слоем, живут около 60 дней и гибнут. Затем они дифференцируются из базальных клеток. Обонятельные клетки являются единственными нейронами, способными в течение всей жизни организма непрерывно обновляться. Эти клетки расположены среди обонятельного эпителия, в состав которого входят также клетки ненейронной природы, опорные клетки, разделяющие рецепторные клетки. Базальные клетки выполняют функцию стволовых. За счет базальных клеток обонятельные нейроны способны к постоянному обмену и регенерации. Секреторные клетки обонятельных (боуменовых) желез продуцируют слизь.
Чувствительная площадь первичного контакта воспринимающей поверхности с пахучими молекулами представляет собой обнаженное вещество самого нерва, т.е. при ощущении запаха происходит непосредственный контакт с окружающим миром [Райт Р.Х., 1966].
Учитывая количество обонятельных волосков, их длину, диаметр, можно рассчитать, что, например, у кролика первичная площадь контакта между пахучими молекулами и воспринимающей поверхностью составляет 600 м 2 . У человека она в 100 раз меньше. Эта чувствительная поверхность представляет собой обнаженное вещество нерва.
У человека количество обонятельных клеток составляет около 60 млн. Импульс в отдельном нервном волокне возникает при попадании на его рецепторы 8-10 молекул пахучих веществ. Ощущение запаха возникает, если одновременно возбуждается не менее 40 нервных волокон.
Обонятельные клетки имеют форму веретена с двумя отростками - периферическим и центральным. От периферического (апикального) отдела отходит дендрит, который заканчивается обонятельной булавой, несущей 10-15 ресничек - обонятельных рецепторов, которые находятся в слое слизи и медленно, но несинхронно колеблются [Бронштейн А.И., 1950].
Молекулы ароматических веществ сначала поглощаются слизью, затем контактируют с ресничками и рецепторными молекулами в мембране обонятельных клеток.
Сходство и различие запахов связывают, во-первых, со структурой (т.е. с конфигурацией пахучих молекул и рецепторных участков на поверхностной мембране обонятельных волосков), во-вторых, с колебательными свойствами пахучих молекул (соответствием резонансных колебательных частот молекул ароматических веществ и рецептора).
Обонятельные рецепторы - это выросты плазматических мембран. Каждая из них состоит из 9 пар двойных трубочек, расположенных по периферии реснички, и одной пары, расположенной в центре. Они - участники рецепции, усиления сигнала и преобразования его в изменение биоэлектрической активности клетки. Рецепторы распадаются на группы с одинаковыми спектрами, т.е. одинаковыми ответами на стимул. Выделяют три группы рецепторов:
· реагирующие на феромоны;
· реагирующие на запахи пищи;
· реагирующие на широкий круг веществ.
Механизм преобразования сигнала при изменении ионной проницаемости плазматической мембраны клетки, дающий начало развитию рецепторного потенциала, до конца не расшифрован.
Исследователи считают, что трансдукция обонятельного сигнала сопряжена с цитоскелетом обонятельных нейронов. Основная роль отводится микротрубочкам, которые, как полагают, участвуют в рецепции, трансформации и проведении стимулов внешней среды. Акцепторной молекулой одорантов служит тубулин - основной белок микротрубочек [Этингоф Р.Н. и др., 1987].
От центрального (дистального) отдела обонятельной клетки отходит аксон. В виде нескольких (до 20) тонких нитей он проникает через отверстия решетчатой кости и поступает в мозг, образуя на нижней поверхности лобной доли обонятельные луковицы. Внутри такой луковицы аксоны переплетены между собой и заканчиваются в теле клубочка, где имеются синапсы, через которые нервные импульсы с помощью неиромедиаторов передаются в обонятельные структуры мозга [Шеперд Г., 1978].
Ключевой системой действия растительных ароматических веществ является лимбическая система, включающая гиппокамп, гипоталамус, миндалевидное ядро и другие образования. Эти структуры названы обонятельным мозгом. Лимбическая система действует совместно с корой больших полушарий и ретикулярной формацией.
Эмоциональные напряжения, стрессы, действие экологических факторов сопровождаются глубокими сдвигами во многих функциональных системах организма. При этом первичные запускающие изменения, ведущие к патологии, происходят в лимбической системе.
Растительные ароматические вещества осуществляют свое действие через лимбическую систему, что сопровождается нормализацией нейрофизиологической функции лимбической системы, включением гипофизадреналовой системы, формированием биорегулирующих эффектов на всех органах и системах организма.
В последние годы выявлена ноотропная активность растительных ароматов на медиаторное звено ЦНС. Так, ароматы лаванды способствуют выделению серотонина, ароматы жасмина стимулируют выделение эндорфинов, а герани - действуют на ацетилхолин. Ароматы мяты способствуют снижению повышенного количества катехоламинов и т.д.
Привлекают внимание особенности и закономерности действия растительных ароматов через органы обоняния и обонятельный мозг на различные органы и системы. Они характеризуются сверхмалыми дозами (в диапазоне 10 -18 - 10 -10), а также противоположно направленным эффектом при более высоких дозах. Кроме того, несмотря на различный химический состав действующих ароматов и объектов, наблюдаются общие закономерности их действия в сверхмалых дозах. В этом диапазоне активны именно регуляторные вещества, которые в основном имеют пептидную и полипептидную природу, однако и некоторые вещества непептидной природы (в частности, растительные ароматические) действуют в сверхмалых дозах.
В нашей лаборатории на животных получены данные о действии растительных ароматических веществ (РАВ) на соматические клетки в сверхмалых дозах - на уровне 10 -10 - 10 -9 .
Нередко ароматы растений независимо от того, ощущаем мы их в атмосфере или нет, оказывают биорегулирующие эффекты.