Наука о запахе: как работает обоняние, самое прямое из наших чувств

Восприятие запаха

ХХ век подарил нам науку о запахах: были открыты 1000 видов обонятельных рецепторов, которые распознают молекулы пахучих веществ, и механизм передачи обонятельного сигнала в центральную нервную систему.

Фактически, каждое дыхание, которое мы делаем, насыщено необычайным количеством обонятельной информации:
Каждый день мы делаем 23 040 вдохов-выдохов, перемещая десятки кубических метров воздуха. Нам требуется около 5 секунд, чтобы вдохнуть и выдохнуть — и в это время молекулы запаха проникают в наши системы, так мы их чувствуем. Запахи окружают нас, проникают в нас, исходят от нас. Мы ощущаем запах при вдохе; а при выдохе — запах исчезает.

Вместе с молекулами пахучего вещества, которые называются одорантами (или обонятельным стимулом) в каждую из двух носовых полостей воздух поступает в зону обонятельной области, покрытую обонятельным эпителием.

Общая поверхность обонятельного эпителия в обеих половинках носа взрослого человека — 2-4 см2 ( у собак — 27-200 см2).  При нормальном спокойном дыхании по обонятельному эпителию проходит 7 -10% вдыхаемого воздуха. Обонятельный эпителий покрыт слоем слизи (10-50 мкм), который преодолевают молекулы одоранта, прежде чем вступают во взаимодействие с сенсорными нейронами — обонятельными рецепторами.
Эпителий в носовых полостях человека содержит приблизительно 10 млн обонятельных нейронов (у немецкой овчарки — до 225 млн).
Американские учёные, Линда Бак и Ричард Аксель, в 1991 году установили, что обонятельные нейроны млекопитающих содержат около 1000 различных видов рецепторных белков, у человека их около 350.

Каким образом рецепторы распределяются по нейронам? Как мозг определяет, какой из 1000 типов рецепторов подал сигнал? Проблема идентификации активированного запахом отдельного рецептора сводится к задаче выявления подавшего сигнал нейрона.

Система восприятия запахов (обоняние) действует на уровне молекул

Молекула одоранта прикрепляется к определённому обонятельному рецептору. Между процессом связывания молекулы одоранта с рецептором и передачей обонятельного сигнала в нервную систему лежит сложный каскад биохимических реакций, проходящих в нейроне.
Несколько молекулярных стадий передачи внутриклеточного сигнала усиливают его: в результате, небольшого числа молекул одоранта достаточно для генерирования нейроном электрического импульса.
Луковичная нейросеть распознаёт громадное число разнообразных молекул пахучих веществ и посылает информацию на обработку в головной мозг.

Иногда запахи вызывают эмоции и ощущения (психоэмоциональные схемы), которых на самом деле нет. Физиологические связи между запахом и центрами памяти — это маршрут, который ведёт нас сквозь время и расстояние:
Запах является самым прямым из всех наших чувств.

Когда я прижимаю цветок к носу и вдыхаю, молекулы запаха входят в носовую полость за переносицей и поглощаются слизистой оболочкой, содержащей рецепторные клетки с микроскопическими волосками, которые называются ресничками. Пять миллионов этих клеток посылают импульсы в обонятельную луковицу мозга — в центр обоняния. Если вы уничтожите нейрон в мозге, это навсегда; это не отрастёт. Если вы повредите нейроны в глазах или ушах, оба органа будут непоправимо повреждены. Но нейроны в носу заменяются примерно каждые 30 дней, и, в отличие от любых других нейронов в организме, они торчат и колеблются в воздушном потоке, как анемоны на коралловом рифе.

Индустрию парфюмерии это делает мощной силой.  Если мы дарим кому-либо духи, тем самым мы дарим жидкую память: на наши сердечные струны запахи действуют сильнее, чем зрелища и звуки — для эмоциональной памяти запах срабатывает как спусковой механизм.  Запах может быть крайне ностальгическим; он вызывает мощные образы. Запах в значительной степени находится в системе долговременной памяти мозга. И, тем не менее, мы остаёмся неумелыми редакторами этих связей и ассоциативных цепочек, когда речь идёт об описании запахов и их эмоциональных отголосках. Парфюмерия играет на этом парадоксе.

Все запахи делятся на несколько основных категорий, почти как основные цвета: мятный (мята перечная), цветочный (розы), эфирный (груши), мускусный (мускус), смолистый (камфора), грязный (тухлые яйца), едкий (уксус). Производители парфюмерии достигли большого успеха в создании цветочных букетов и правильного порога мускуса или фруктовости. Природные вещества больше не требуются; парфюмерия может изготавливать ​​ молекулы в лабораториях. Одним из первых ароматов с полностью синтетическим запахом была Chanel № 5, созданная в 1922 году — классика чувственной женственности: верхняя нота — это альдегид; средняя нота — жасмин, роза, ландыш, ирис, иланг-иланг; базовая нота — ветивер, сандал, кедр, ваниль, амбра, циветта, мускус.
Базовые ноты почти всегда имеют животное происхождение — это древние эмиссары обоняния, которые переносят нас через леса и саванны.

Итак, мы переходим к фактической науке обоняния… Что на самом деле заставляет нас иметь обонятельный опыт, который мы почему-то мы часто путаем со вкусом?

Не всё имеет запах, а только достаточно летучие вещества, способные распылять микроскопические частицы в воздух. Многие вещи, с которыми мы сталкиваемся каждый день, в том числе камень, стекло, металл — не испаряются при комнатной температуре, поэтому мы не чувствуем их запаха. Если вы нагреете структуру, вещество станет более летучим (частицы будут испаряться в воздух), появится запах, либо имеющийся запах становится ещё сильнее.

Невесомость в космосе заставляет космонавтов терять вкус и запах. В отсутствие силы тяжести молекулы не могут быть летучими, поэтому немногие из них проникают в нос достаточно глубоко, чтобы регистрироваться как запахи. Это проблема для космических диетологов, разрабатывающих космическую еду.

Большая часть вкуса пищи зависит от её запаха! Если человеку зажать ноздри во время дегустации, то он не распознает даже хорошо известные вкусы пищевых продуктов (например, кофе).
Некоторые химики зашли так далеко, что готовы утверждать, будто вино — это просто безвкусная жидкость, аромат которой глубоко спрятан. С заложенным носом (во время насморка) вино по вкусу как вода, говорят они. Прежде чем почувствовать вкус, веществу нужно раствориться в жидкости (например, леденец должен растаять в слюне); и прежде чем что-то почувствовать, молекулы вещества должны появиться и присутствовать в воздухе.