Небольшой цикл винтажных статей полувековой давности, которые, думаю, заинтересуют читателей и коллег.
Новые методы диагностики заболеваний, чуткие приборы, следящие за чистотой воздуха, — вот что дают исследования обонятельных механизмов человека и животных.
На земле обитает немало живых существ, лишенных зрения и слуха. Но таких, которые не имели бы органов обоняния, нет! Ощущать запахи исключительно важно. Обоняние помогает животным и насекомым находить пищу, опознавать врагов и особей своего вида. Из человеческих органов нос не самый главный, но очень похоже, что первоначально мозг зародился как аппарат для обработки сигналов, идущих от многочисленных природных веществ. Это произошло еще в ту пору, когда предки человека обитали в первобытном океане.
Обонятельные способности живого феноменальны. Чтобы их оценить, счет ведут на отдельные молекулы. Обычная дворняжка чувствует запах масляной кислоты, когда в 1 см³ воздуха находится 9 тыс. молекул этого вещества. Достаточно развести в Ладожском озере чайную ложку спирта, чтобы угри ощутили его присутствие. Подсчитано: 8 молекул на одно нервное окончание достаточно, чтобы сигнал о запахе достиг мозга животного. А для четкого ощущения кислого, сладкого или соленого необходимо совместное действие 40 нервных окончаний.
Обонятельные клетки должны постоянно омываться потоком воздуха или воды. Это основное условие их работы. Потому-то у всех животных, дышащих легкими, первичные органы обоняния расположены возле дыхательных путей.
У рыб поток воды идет через рот, глотку и жабры. И клетки, чувствительные к запаху, размещены в основном на губах и жаберных крышках.
Насекомые дышат трахеями, распределенными по всему брюшку. Но воздуха через трахеи протекает очень мало. В гораздо более выгодном положении находятся усики. Несложный расчет показывает: через перистые усики крупной бабочки при полете со скоростью 10 м/сек проходит в 50 раз больше воздуха, чем через обонятельные доли человека. И конечно, у насекомых именно усики стали теми «антеннами», что ловят запахи. Чутье собак мы считаем очень тонким, но собакам далеко до ночных бабочек: некоторые из них ощущают присутствие одной молекулы пахучего вещества в 2-3 дм³ воздуха. А если насекомое не летает, как тогда создать поток воздуха? Бескрылым — кузнечикам, тараканам, сверчкам — остается шевелить усиками, что они и делают.
Строение обонятельных органов млекопитающих ныне изучено довольно хорошо. У каждой чувствительной клетки есть два отростка. Один заканчивается небольшим пузырьком, покрытым сетью нитевидных волокон. Общая площадь всех волокон составляет 6 дм². Это и есть площадь «антенны», улавливающей молекулы пахучих веществ.
Другой отросток — аксон — через тонкую пористую кость тянется прямо в мозг. Аксонов очень много — около 100 миллионов, они оканчиваются в одной из двух обонятельных луковиц мозга. В каждой луковице около 2 тыс. клубочков, и с каждым из них связано примерно 25 тыс. первичных чувствительных клеток. От. клубочков к обонятельным центрам мозга идут так называемые митральные клетки. Между первичной воспринимающей поверхностью и мозговыми центрами только один переход (синапс). Более тесную связь с окружающей средой трудно вообразить.
Все эти структуры воспроизвести, конечно, невозможно. Но тем не менее уже предложено несколько конструкций «искусственных носов». Они не похожи на настоящие, однако неплохо различают запахи.
В основу своего прибора американский специалист Э. Дрэвникс положил свойство некоторых веществ менять контактный потенциал под воздействием пахучей смеси. Такие вещества называют адсорбентами, что в буквальном переводе означает «поверхностные поглотители». Если слой адсорбента нанести на золотую пластинку — электрод, а сверху к ней прижать золотую лопатку, получим контакт, чувствительный к появлению пахнущего газа. В зависимости от силы запаха на электродах рождается разный электрический ток.
В приборе Дрэвникса четыре неподвижных электрода и одна вращающаяся золотая лопатка. Ток, снимаемый с контактов, поступает через переключатель на сопротивление, а затем в осциллограф; на его экране возникают волнообразные кривые. По формам волн можно судить о типе пахучей смеси и ее концентрации.
Ученому удалось распознать 24 вида газообразных веществ, выделяемых телом человека. Какие из них свойственны здоровому организму и какие бывают спутниками заболеваний — вот вопрос, на который еще предстоит ответить. Э. Дрэвникс надеется предложить врачам новый метод диагностики, в чем-то напоминающий способ регистрации теплового состояния кожи. Впрочем, ничего принципиально нового тут нет. Запах действительно сопутствует некоторым болезням (дифтерия, уремия, рак и другие). Речь идет лишь о том, чтобы ставить диагноз на возможно более ранней стадии заболевания. А для этого нужен очень чувствительный «искусственный нос».
Свойства адсорбентов использовал и шотландский ученый Р. Монкриф, хотя схема его прибора иная. Чувствительным элементом служат терморезисторы — полупроводниковые сопротивления, величина которых меняется в зависимости от температуры. Терморезисторы — один из них покрыт адсорбирующим веществом — составляют плечи известного в электротехнике мостика Уитстона (см. рисунок). Пока пахучего газа нет, мостик остается сбалансированным и напряжения в его диагонали не возникает. Но в присутствии такого газа адсорбент начинает выделять тепло, терморезистор меняет сопротивление, электрический баланс моста нарушается и в диагонали появляется небольшое напряжение. На рисунке даны две схемы: обычной (а) и повышенной чувствительности (б). Сигнал поступает в усилитель постоянного тока, а затем переносится на бумажную ленту с помощью многоканального самописца.
У «электрического носа» Монкрифа много общего с обонятельным органом человека. Прибор немедленно реагирует на запахи, для его работы необходимо движение газового потока над воспринимающей поверхностью адсорбента. Устройство «устает» и должно отдыхать перед новыми опытами, а к сильному запаху быстро «принюхивается» и, подобно человеку, перестает замечать дальнейшее увеличение концентрации.
И еще одно любопытное совпадение. Кривые, выходящие из-под пера самописца, очень сходны с кривыми электрической активности обонятельного органа лягушки.
В современной литературе можно найти и другие схемы. Например, предложено поглощать и окислять пахучие вещества в электролитической ячейке на границе между газом и жидкостью. Чувствительность такого прибора к спирту особенно высока.
Подмечен еще один эффект. Молекулы вещества, «ответственного» за возникновение запаха, поглощают энергию ультрафиолетовых лучей. На этом принципе созданы сигнальные устройства, предупреждающие о появлении токсичных газов. Скажем, на фабриках химической чистки перхлорэтилен обнаруживают в ничтожной концентрации — одной десятитысячной процента.
Экспериментальные работы пока идут впереди теории. О самом механизме обонятельного ощущения нет окончательных данных, есть лишь более или менее достоверные гипотезы. Согласно одной из них, молекулы пахучих веществ излучают электромагнитные волны в инфракрасной части спектра (длина волны около 8-10 микрон).
Уже известный нам Р. Монкриф возродил на современном уровне знаний представления древнеримского поэта и философа Лукреция. В носовой полости, утверждал античный мыслитель, есть маленькие поры. Частички летучих веществ подходят к ним, как ключ к замку.
Ныне стереохимики выяснили конфигурацию многих сложных молекул. И Монкриф предположил, что обонятельные клетки снабжены лунками, которые соответствуют форме и размерам молекул основных пахучих веществ (см. рис.).
Возможно, молекулы действуют на клетки именно своей формой и размерами. Семь основных запахов обусловлены лунками семи видов. Некоторые молекулы могут входить в две разные лунки — одной стороной в широкую, другой — в узкую. При этом возникает сложное обонятельное ощущение.
Монкрифу удалось правильно предсказать запах некоторых вновь синтезированных соединений. Но его гипотеза не может объяснить колоссальную различительную способность собачьего нюха: полмиллиона оттенков. Как же их можно составить из семи основных?
У приверженцев электромагнитной гипотезы затруднений еще больше. Сегодня физики получают инфракрасные волны любой длины, однако найти среди них «пахучую» не удалось.
Не исключено, что у живых существ действует параллельно несколько механизмов обоняния, возникших на разных этапах эволюции. Словом, биологам и физикам есть что открывать. По-видимому, самые главные открытия еще впереди.
