Может ли быть вещество пахучим. Классификация запаховых веществ

В природе существует огромное количество различных запаховых веществ, и навряд ли найдется такой человек, который мог бы знать все запахи. Известно, что, например люди, далеко стоящие от химии, не знают таких запахов, которые хорошо известны химикам (запах пикриновой кислоты или формальдегида). Наши знания относительно пахучих веществ еще столь недостаточны, что мы не имеем единой классификации запахов по их качеству. Насчитывается около 50 чистых основных запахов, из которых путем различных сочетаний образуются все остальные запахи.

Голландский ученый Цваардемакер предложил все существующие пахучие вещества разделять на девять классов. I. Эфирные запахи. К ним относятся запахи фруктовых эссенций, употребляемых в парфюмерии: яблочная, грушевая и т. п., а также пчелиный воск и эфиры. II. Ароматические запахи запах камфоры, горького миндаля, лимона. III. Бальзамические запахи запах цветов (жасмин, ландыш и др.), ванилин и др. IV. Амбро-мускусные запахи запах мускуса, амбры. Сюда же относятся многие запахи животных и некоторых грибов. V. Чесночные запахи запах ихтиола, вулканизированной резины, вонючей смолы, хлора, брома, иода и др.

VI. Запахи пригорелого запах поджаренного кофе, табачный дым, пиридин, бензол, фенол (карболовая кислота), нафталин. VII. Каприловые запахи и запах сыра, пота, прогорклого жира VIII. Противные запахи запахи некоторых наркотических веществ, получаемых из пасленовых растений (запах белены) IX. Тошнотворные запахи трупный запах и др.

Источником запахов являются тела твердые, жидкие и газообразные. Эфирные масла (главное пахучее "начало, содержащееся в растениях) обладают большей частью приятным запахом и характеризуются большой летучестью. Запахи животного происхождения отличаются своей стойкостью: вызываемое ими обонятельное ощущение сохраняется надолго. Большинство запахов этой группы имеет неприятный характер характер зловония. Запахи минерального происхождения не вызывают резко выраженного обонятельного ощущения и являются преимущественно безразличными. Источником запахов являются тела твердые, жидкие и газообразные. Эфирные масла (главное пахучее "начало, содержащееся в растениях) обладают большей частью приятным запахом и характеризуются большой летучестью. Запахи животного происхождения отличаются своей стойкостью: вызываемое ими обонятельное ощущение сохраняется надолго. Большинство запахов этой группы имеет неприятный характер характер зловония. Запахи минерального происхождения не вызывают резко выраженного обонятельного ощущения и являются преимущественно безразличными.

Пахучие вещества обладают большой летучестью; они непрерывно отделяют то внешнюю среду частицы, которые и обусловливают обонятельное ощущение. Частицы, выделяемые этими телами, настолько малы, что пахучие вещества могут продолжительное время испускать запах и очень мало терять при этом в весе. Известен случай, когда корень валерианы, сохранявшийся в музее в течение 200 лет, сохранил свой запах. Необычайная летучесть пахучих веществ, а также бесконечно малые размеры отделяемых ими частиц, благоприятствуют распространению запаха в воздухе. Частицы пахучих веществ задерживаются, поглощаются другими телами. Пахучие вещества обладают большой летучестью; они непрерывно отделяют то внешнюю среду частицы, которые и обусловливают обонятельное ощущение. Частицы, выделяемые этими телами, настолько малы, что пахучие вещества могут продолжительное время испускать запах и очень мало терять при этом в весе. Известен случай, когда корень валерианы, сохранявшийся в музее в течение 200 лет, сохранил свой запах. Необычайная летучесть пахучих веществ, а также бесконечно малые размеры отделяемых ими частиц, благоприятствуют распространению запаха в воздухе. Частицы пахучих веществ задерживаются, поглощаются другими телами.

Степень поглощения их зависит не только от характера запаха, но также от химического состава и цвета тех предметов, которые поглощают запах. Наиболее сильно поглощают запахи шелковая и шерстяная материи, торф, древесный уголь (особенно в форме просушенной, порошкообразной массы), меньше бумажная материя, бумага. Под влиянием кислорода запахи разлагаются. Поэтому с целью уничтожения запахов (дезодорация) пользуются химическими смесями, выделяющими кислород, или смесью чистого воздуха с озоном. Тепло и влажность благоприятствуют распространению запахов и усиливают их действие. Однако влажность не должна превышать известных пределов, так как избыток влаги ослабляет интенсивность запахов. Материал взят с сайта:

Ученые со всего мира разработали два десятка компьютерных моделей, чтобы научиться предсказывать запах молекулы по ее структуре. Лучше всего модели предсказывают интенсивность запаха, его приятность и схожесть с запахом чеснока, гари и пряным ароматом, рассказал «Чердаку» один из соавторов работы, Марат Казанов, заведующий сектором прикладной биоинформатики Института проблем передачи информации РАН, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий.

Мы чувствуем запах благодаря сигналам, поступающим в мозг от обонятельных нейронов, рецепторы которых связываются с молекулами пахучих веществ, попадающих к нам в нос. Но предсказать, какую реакцию вызовет та или иная молекула, крайне сложно, хотя этот вопрос давно интересует как ученых, исследующих взаимодействие молекул с рецепторами, так и парфюмеров.

«Текущие научные знания позволяют предсказать, какой цвет будет видеть человек, если знать длину волны электромагнитного излучения, или, если знать частоту звуковой волны, - какой тон он услышит. В отличие от зрения и слуха, ученые до сих пор не могут предсказать запах по химической структуре молекулы. Схожие молекулы могут вызывать разные запахи, а молекулы с совершенно различной структурой - пахнуть похоже», - рассказал Марат Казанов.

Например, люди прекрасно отличают по запаху спирты н-пропанол, н-бутанол и н-пентанол, хотя формулы у них похожи.

Наоборот, мускон и мускус-кетон обладают совсем разными формулами, а пахнут похоже - мускусом . Объяснения этой особенности восприятия запахов пока нет.

«Построить предсказательные вычислительные модели, связывающие химическую структуру молекулы с воспринимаемым запахом пытались и раньше, но они были основаны, как правило, на данных эксперимента 30-летней давности с ограниченным набором ароматических веществ», - объяснил ученый.

В этом эксперименте почти полторы сотни участников определяли, чем пахнут такие вещества, как, например, ацетофенон . Всего в эксперименте использовали 10 веществ. В новом эксперименте, результаты которого были опубликованы в Science , участников было меньше - 49 человек, зато веществ, которые они оценивали, намного больше - 476.

Для каждого ароматического вещества оценивалась степень выраженности различных характеристик его запаха, таких как интенсивность, и приятность, и его схожесть с 19 заданными запахами (сладкий, цветочный, запах дерева, запах травы и т.д.). Для всех ароматических веществ были вычислены 4884 молекулярные характеристики, начиная от стандартных - молекулярного веса, присутствия тех или иных атомов, и заканчивая пространственными характеристиками молекулы.

Эти данные были предложены участникам консорциума DREAM Olfaction Prediction. DREAM Challenges - это краудсорсинговая платформа, которая позволяет ученым со всего мира объединяться для решения различных исследовательских задач в области биологии и медицины.

В данном случае участникам консорциума предлагалось, используя представленные данные, построить вычислительные модели, предсказывающие на основе молекулярных характеристик, как будут пахнуть ароматические вещества.

Всего было построено 18 вычислительных моделей. Лучше всего они предсказывали интенсивность запаха, затем его приятность для человека и далее - схожесть с 19 заданными запахами. Модели уверенно предсказывали сходство с запахами чеснока и гари, сладким, фруктовым и пряным ароматами. Сложнее всего было предсказать схожесть с запахами мочи, дерева и кислятины.

Модели также показали некоторые корреляции между свойствами запахов и молекул. Так, чем больше был молекулярный вес, тем запах был слабее, но приятнее. Интенсивность запаха также коррелировала с наличием в молекуле полярных групп, таких как фенол, энол и гидроксильная группа, а приятность - со схожестью молекулы с молекулами паклитокселя и цитронелил фенил-ацетата.

Атомы серы в молекуле были связаны с запахами чеснока и гари, а молекулы, схожие по структуре с ванилином, пахли выпечкой.

Екатерина Боровикова

Доктор технических наук В. МАЙОРОВ.

В последнее десятилетие ХХ века в науке о запахах произошла подлинная революция. Решающую роль сыграло открытие 1000 видов обонятельных рецепторов, связывающих молекулы пахучих веществ. Однако механизм передачи обонятельного сигнала в центральную нервную систему таит в себе еще много загадок.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Пути передачи информации о запахах в головной мозг.

Схематическое изображение обонятельного эпителия. Базальные клетки являются клетками-предшественниками обонятельных рецепторных нейронов.

Изображение реснички обонятельного нейрона, сделанное с помощью флуоресцентного красителя. На мембране ресничек расположены рецепторные белки, взаимодействующие с молекулами одорантов.

Модель молекулы обонятельного рецепторного белка мыши, к которому присоединена молекула одоранта - гексанола (пурпурного цвета).

Одна из моделей процесса преобразования сигнала внутри реснички обонятельного нейрона.

Схематическое изображение комбинаторных рецепторных кодов одорантов.

Электроольфактограмма (ЭОГ) - электрический колебательный сигнал, регистрируемый специальным электродом с участка внешней поверхности обонятельного эпителия крысы.

Чуть более четверти века назад в журнале "Наука и жизнь" (№ 1, 1978 г.) была опубликована статья "Загадка запаха". Ее автор, кандидат химических наук Г. Шульпин, справедливо отмечал, что современное ему состояние науки о запахах примерно такое же, как состояние органической химии в 1835 году. Тогда один из зачинателей этой науки, Ф. Велер, писал, что органическая химия представляется ему дремучим лесом, из которого невозможно выбраться. Но уже через четверть века А. М. Бутлеров, создав теорию химического строения вещества, сумел "выбраться из чащи". Шульпин выражал уверенность, что загадка запаха будет решена едва ли не быстрее, чем в случае органической химии.

И он оказался прав на все 100%! В последнее время произошел настоящий прорыв в понимании молекулярных основ обоняния. Разберем основные стадии восприятия запахов в свете современных представлений.

КАК ВОСПРИНИМАЕТСЯ ЗАПАХ

Проделаем простой опыт. Возьмем флакон с пахучей жидкостью, например духами, откроем пробку и понюхаем содержимое в спокойном ритме дыхания. Легко обнаружить, что мы ощущаем запах только во время вдоха; начинается выдох - запах исчезает.

При вдохе через нос воздух вместе с молекулами пахучего вещества (называемого обонятельным стимулом или одорантом) проходит в каждой из двух носовых полостей по щелевидному каналу сложной конфигурации, который образован продольной носовой перегородкой и тремя носовыми раковинами. Здесь воздух очищается от пыли, увлажняется и нагревается. Затем часть воздуха поступает в расположенную в верхней задней зоне канала обонятельную область, имеющую вид щели, покрытой обонятельным эпителием.

Общая поверхность, занимаемая эпителием в обеих половинках носа взрослого человека, невелика - 2 - 4 см 2 (у кролика эта величина равна 7-10 см 2 , у собак - 27 - 200 см 2). Эпителий покрыт слоем обонятельной слизи и содержит три типа первичных клеток: обонятельные рецепторы, опорные и базальные клетки. Влекомые воздухом пахучие молекулы проникают в носовую полость и переносятся над поверхностью эпителия. При нормальном спокойном дыхании вблизи обонятельного эпителия проходит 7 -10% вдыхаемого воздуха. Обонятельный эпителий имеет толщину приблизительно 150-300 мкм. Он покрыт слоем слизи (10-50 мкм), который молекулам одоранта предстоит преодолеть, прежде чем они провзаимодействуют со специальными сенсорными нейронами - обонятельными рецепторами.

Основная функция обонятельного рецептора состоит в выделении, кодировании и передаче информации об интенсивности, качестве и продолжительности запаха в обонятельную луковицу и специальным центрам в головном мозге. Эпителий в обеих носовых полостях у человека содержит приблизительно 10 млн обонятельных нейронов (у кролика - около 100 млн, а у немецкой овчарки - до 225 млн).

Как известно, нейрон состоит из тела и отростков: аксонов и дендритов. Нервный импульс с одной нервной клетки на другую передается с аксона на дендрит. Диаметр утолщенной центральной части обонятельного нейрона (сомы) 5-10 мкм. Дендритная часть в виде волокнистых отростков диаметром 1-2 мкм выходит к внешней поверхности эпителия. Здесь дендриты заканчиваются утолщением, от которого отходит пучок из 6-12 ресничек (цилий) диаметром 0,2-0,3 мкм и длиной до 200 мкм, погруженный внутрь слоя слизи (у кролика число ресничек в одном рецепторном нейроне составляет 30-60, а у собак достигает 100-150). Отходящее от сомы нервное волокно (аксон) имеет диаметр около 0,2 мкм и выходит к внутренней поверхности эпителия. Здесь аксоны от соседних нейронов объединяются в жгуты (филы), доходящие до обонятельной луковицы.

СЕМИОТИКА ОБОНЯНИЯ

Для того чтобы обонятельный сигнал был воспринят нейроном, молекула одоранта связывается со специальной белковой структурой, расположен ной в нейрональной клеточной мембране. Такая структура называется рецепторным белком. Используя методы молекулярной биологии, американские ученые Линда Бак и Ричард Аксель в 1991 году установили, что обонятельные нейроны у млекопитающих содержат около 1000 различных видов рецепторных белков (у человека их меньше - около 350). Признанием важности этого открытия стало присуждение им в 2004 году Нобелевской премии за исследования в области физиологии и медицины (см. "Наука и жизнь" № 12, 2004 г).

Каким образом рецепторы распределяются по нейронам: имеются ли отдельные представители этого семейства во всех обонятельных нейронах или каждый нейрон несет на своей мембране только один вид рецепторного белка? Как может мозг определить, какой из 1000 типов рецепторов подал сигнал? Имеющиеся данные позволяют сделать заключение о том, что на одном нейроне присутствует только обонятельный рецепторный белок одного вида. Нейроны с разными рецепторами обладают различной функциональностью, то есть в эпителии имеются тысячи различных типов нейронов. В этом случае проблема идентификации активированного запахом отдельного рецептора сводится к задаче выявления подавшего сигнал нейрона.

Принимая во внимание, что общее число обонятельных нейронов у человека около 10 млн, число обонятельных рецепторов одного типа исчисляется в среднем десятками тысяч.

Обонятельная система использует комбинаторную схему для идентификации одорантов и кодирования сигнала. Согласно ей один тип обонятельных рецепторов активируется множеством одорантов и один одорант активирует множество типов рецепторов. Различные одоранты кодируются различными комбинациями обонятельных рецепторов, причем увеличение концентрации стимула приводит к возрастанию числа активируемых рецепторов и к усложнению его рецепторного кода. В этой схеме каждый рецептор выступает в качестве одного из компонентов комбинаторного рецепторного кода для многих одорантов и как бы выполняет роль буквы своеобразного алфавита, из совокупности которых составляются соответствующие слова-запахи.

Минимальные структурные отличия молекул одорантов, например, по функциональной группе, по длине углеродной цепи, по пространственной структуре приводят к различному рецепторному коду. Для отличительного признака молекулы одоранта, способного изменить кодировку запаха, был предложен термин "одотоп" (odotope ), или детерминант запаха. Различные обонятельные рецепторы, которые распознают один и тот же одорант, могут идентифицировать различные его признаки-одотопы. Одиночный обонятельный рецептор способен "различать" молекулы, отличающиеся длиной углеродной цепочки всего лишь на один атом углерода, или молекулы, имеющие одинаковую длину углеродной цепочки, но отличающиеся функциональной группой. Учитывая, что в эпителии млекопитающих имеется приблизительно 1000 видов обонятельных рецепторов, можно полагать, что такая комбинаторная схема позволяет различить громадное число одорантов (даже человек различает до 10 000 запахов).

Полученные в последнее время результаты экспериментальных исследований свойств обонятельных рецепторных белков позволили создать на молекулярном уровне структурную модель спиральной молекулы обонятельного белка. Обонятельные рецепторные белки принадлежат к суперсемейству мембранносвязанных рецепторов. Они пересекают двухслойную липидную мембрану реснички семь раз. У содержащей 300-350 аминокислот молекулы рецепторного белка три наружные петли соединяются с тремя внутриклеточными петлями семью пересекающими мембрану трансмембранными участками.

НЕОБХОДИМАЯ СЛИЗЬ

Находящиеся в потоке воздуха молекулы одоранта, перед тем как достичь обонятельных рецепторных нейронов, должны пересечь обволакива ющий поверхность обонятельного эпителия слой слизи. Физиологические функции слоя слизи полностью до сих пор не выяснены. Не вызывает сомнения, что она создает гидрофильную оболочку для чувствительных и хрупких обонятельных рецепторов, выполняя защитную функцию. Ведь систему восприятия сигнала нужно защитить от воздействия внешней среды, то есть от молекул одорантов, среди которых могут быть достаточно опасные и химически активные вещества.

Слой слизи состоит из двух подслоев. Внешний, водный, имеет толщину примерно 5 мкм, а внутренний, более вязкий, - около 30 мкм. Реснички-цилии направлены наклонно к внешней поверхности слоя слизи. Они образуют своего рода сетку с нерегулярными ячейками, причем эта сетка размещена у поверхности раздела подслоев так, что основная часть поверхности ресничек (около 85%) оказывается расположен ной вблизи границы раздела.

Слой слизи содержит разнообразные растворимые в воде белки, значительную часть которых составляют так называемые гликопротеины. Благодаря разветвленной молекулярной структуре эти белки способны связывать и удерживать молекулы воды, образуя гель.

Другие виды белков, содержащихся в слизи, взаимодействуют с молекулами одорантов и тем самым могут оказывать влияние на восприятие и распознавание запахов. Эти белки подразделяются на два основных класса - одорант-связующие белки (OBP) и одорант-разрушающие ферменты.

ОВР относятся к семейству белков, имеющих складчатую бочкообразную структуру с внутренней глубокой полостью, в которую попадают маленькие молекулы гидрофильных (жирорастворимых) одорантов. Разные подвиды этих белков отличаются высокой избирательностью взаимодействия с одорантами различных химических классов.

Полагают, что OBP способствуют растворению одоранта и транспортируют его молекулы сквозь слой слизи, действуют как фильтр для разделения одорантов, могут облегчать связывание одоранта с рецепторным белком и даже очищать околорецепторное пространство от ненужных компонентов.

Кроме одорант-связующих белков в слизи обонятельного эпителия вблизи рецепторных нейронов обнаружены несколько видов одорант-разрушающих ферментов. Все эти ферменты запускают реакции превращения молекул одорантов в другие соединения. Образующиеся в результате этих реакций продукты также вносят свой вклад в восприятие запаха. В конечном итоге все поступающие в слой слизи молекулы одорантов быстро, практически одновременно с завершением вдоха, теряют свою "запаховую" активность. Так что обонятельная система при каждом вдохе получает новую информацию от свежих порций одоранта.

ОБОНЯНИЕ НА УРОВНЕ МОЛЕКУЛ

Многие свойства системы восприятия запахов можно объяснить на молекулярном уровне. Молекула одоранта встречает на поверхности слизи, покрывающей обонятельный эпителий, молекулу одорант-связующего белка, которая связывает и переносит молекулу одоранта через слой слизи к поверхности реснички обонятельного нейрона. В ресничках осуществляется основной процесс передачи обонятельного сигнала. Его механизм достаточно типичен для многих видов взаимодействий физиологически активных веществ с рецепторами нервных клеток.

Молекула одоранта прикрепляется к определенному обонятельному рецептору (R). Между процессом связывания молекулы одоранта с рецептором и передачей обонятельного сигнала в нервную систему лежит сложный каскад биохимических реакций, проходящих в нейроне. Связывание молекулы одоранта с рецепторным белком активирует так называемый G-белок, расположенный на внутренней стороне клеточной мембраны. G-белок в свою очередь активирует аденилатциклазу (AC) - фермент, преобразующий внутриклеточный аденозинтрифосфат (ATP) в циклический аденозинмонофосфат (cAMP). А уже cAMP активирует другой мембранносвязанный белок, который называется ионным каналом, поскольку открывает и закрывает вход заряженным частицам внутрь клетки. Когда ионный канал открыт, в клетку проникают катионы металлов. Таким способом меняется электрический потенциал клеточной мембраны и генерируется электрический импульс, передающий сигнал с одного нейрона на другой.

Несколько молекулярных стадий передачи внутриклеточного сигнала обеспечивают его усиление, в результате чего небольшого числа молекул одоранта становится достаточно для генерирования нейроном электрического импульса. Такие усилительные каскады обеспечивают большую чувствительность системы восприятия запахов.

Итак, активация рецепторного белка молекулой одоранта в конечном счете приводит к генерированию электрического тока в обонятельном рецепторном нейроне. Ток распространяется по дендриту нейрона в его соматическую часть, где возбуждает выходной электрический импульс. Этот импульс передается по нейрональному аксону в обонятельную луковицу.

Одиночный электрический сигнал-импульс на выходе имеет длительность не более 5 мс и пиковую амплитуду около 100 мкВ. Почти все нейроны генерируют импульсы и при отсутствии воздействия одоранта, то есть обладают спонтанной активностью, называемой биологическим шумом. Частота этих импульсов меняется в диапазоне от 0,07 до 1,8 импульса в секунду.

ЛУКОВИЧНАЯ НЕЙРОСЕТЬ

Обонятельные рецепторные нейроны распознают громадное число разнообразных молекул пахучих веществ и посылают информацию о них через аксоны в обонятельную луковицу, служащую первым центром обработки обонятельной информации в головном мозге. Парные обонятельные луковицы представляют собой продолговатые образования "на ножках". Отсюда начинается путь обонятельного сигнала к полушариям мозга. Аксоны обонятельных нейронов оканчиваются в обонятельной луковице разветвлениями в сферических концентраторах (диаметром 100-200 мкм), называемых гломерулами. В гломерулах осуществляется контакт между окончаниями аксонов обонятельных нейронов и дендритами нейронов второго порядка, которыми являются митральные и пучковые клетки.

Митральные клетки - самые крупные нервные клетки, выходящие из обонятельной луковицы. Пучковые клетки меньше митральных, но функционально с ними схожи. Представление о количестве нервных клеток у млекопитающих могут дать характеристики обонятельной системы кролика. В ней имеется по 50 миллионов обонятельных рецепторных нейронов справа и слева (ровно в десять раз больше, чем у человека). Аксоны обонятельных рецепторов распределены между 1900 гломерулами обонятельной луковицы - примерно по 26 000 аксонов на гломерулу. Дендритные окончания 45 000 митральных и 130 000 пучковых клеток получают сигналы от аксонов в гломерулах и передают их из обонятельной луковицы в центры обоняния в головном мозге. Около 24 митральных и 70 пучковых клеток получают информацию от аксонов в каждой гломеруле. У человека около 10 млн аксонов обонятельных нейронов распределяются по 2000 гломерул обонятельной луковицы.

Все аксоны одной популяции обонятельных нейронов сходятся на две гломерулы, зеркально расположенные по разные стороны двумерного поверхностного слоя обонятельной луковицы. В зависимости от содержания передаваемого сигнала гломерулы активируются различным образом. Совокупность активированных гломерул называется картой запаха и представляет своего рода "слепок" запаха, то есть она показывает, из каких пахучих веществ состоит воспринимаемый обонятельный объект.

Механизм активации гломерул до сих пор не выяснен. Усилия исследователей направлены на то, чтобы выяснить, каким образом многообразие одорантов воспроизводится в двумерном слое гломерул на поверхности обонятельной луковицы. Кстати, эти отображения имеют динамический характер - они постоянно меняются в ходе восприятия запаха, усложняя научную задачу.

Обонятельная луковица - это большая многослойная нейросеть для пространственно-временнoй обработки отображения запаха в гломерулах. Ее можно рассматривать как совокупность множества микросхем с большим количеством связей, со взаимной активацией и ингибированием активности нейронов. Выполняемые нейронами операции выделяют характерные свойства карты запаха.

От обонятельной луковицы аксоны митральных и пучковых клеток передают информацию в первичные обонятельные участки коры головного мозга, а затем в высшие ее участки, где формируется осознанное ощущение запаха, и в лимбическую систему, которая порождает эмоциональную и мотивационную реакцию на обонятельный сигнал.

Свойства обонятельных зон коры головного мозга позволяют формировать ассоциативную память, которая устанавливает связь нового аромата с отпечатками воспринятых ранее обонятельных стимулов. Полагают, что процесс идентификации одоранта включает сравнение получающегося отображения с его описанием в семантической памяти. В случае совпадения отпечатка и памяти о запахе происходит какой-либо ответ (эмоциональный, двигательный) организма. Процесс этот осуществляется очень быстро, в течение секунды, и информация о совпадении после ответа сразу сбрасывается, поскольку мозг готовит себя к решению следующей задачи восприятия запаха.

ЗАГАДКИ ЗАПАХОВ

То, о чем говорилось в предыдущих разделах, относится пусть к самому сложному, основополагающему, но начальному разделу науки о запахах - к их восприятию. Не раскрыт механизм взаимодействия обоняния с другими системами восприятия, например со вкусом (см. "Наука и жизнь" № , с. 16-20). Ведь известно, что если человеку зажать ноздри, то при дегустации даже хорошо известных вкусовых пищевых продуктов (например - кофе) он не в состоянии точно определить, что он пробовал. Достаточно разжать ноздри - и вкусовые ощущения восстанавливаются.

С молекулярной точки зрения пока непонятно, в каких единицах измерять интенсивность запаха и от чего она зависит, что такое качество запаха, его "букет", чем отличается один запах от другого и как охарактеризовать это отличие, что происходит с запахом при смешивании различных одорантов. Оказывается, что независимо от вида одорантов и уровня подготовленности даже опытный эксперт не может определить все составляющие смесь компоненты, если их больше трех. Если же смесь содержит более десяти одорантов, то человек не в состоянии идентифицировать ни одного из них.

Остается еще множество вопросов, касающихся механизмов и видов воздействия запахов на эмоциональное, психическое и физическое состояния человека. В последнее время на эту тему появилось немало спекуляций, чему поспособствовал вышедший в 1985 году роман П. Зюскинда "Парфюмер", более восьми лет прочно занимавший место в первой десятке бестселлеров на западном книжном рынке. Фантазии на тему чрезвычайной силы подсознательного воздействия ароматов на эмоциональное состояние человека обеспечили этому произведению огромный успех.

Однако художественный вымысел постепенно получает обоснование. Недавно в периодической печати появились сообщения о том, что американские военные "парфюмеры" разработали на редкость дурно пахнущую бомбу, способную не только вызвать отвращение, но и разогнать солдат противника или агрессивно настроенную толпу.

Общественные аллюзии на парфюмерные темы подстегнули всеобщий интерес к искусству ароматерапии. Расширилось использование ароматов в общественных местах, таких, как офисы, торговые залы, холлы гостиниц. Появились даже специальным образом ароматизированные товары, улучшающие настроение. Возникла такая отрасль рыночной экономики, как аромамаркетинг - "наука" о привлечении клиентов с помощью приятных запахов. Так, запах кожи навевает покупателю мысли о дорогом качественном товаре, аромат кофе побуждает к покупкам для домашнего ужина и т.д. Каким образом запахи формируют в головном мозге сигналы, побуждающие человека совершать покупки? Ученым предстоит совершить еще немало открытий, прежде чем ответить на этот и многие другие вопросы и отделить мифы о запахах от реальности.

Литература

Лозовская Е., канд. физ.-мат. наук. // Наука и жизнь, 2004, № 12.

Майоров В. А. Запахи: их восприятие, воздействие, устранение. - М.: Мир, 2006.

Марголина А., канд. биол. наук. // Наука и жизнь, 2005, № 7.

Шульпин Г., канд. хим. наук. Загадка запаха // Наука и жизнь, 1978, № 1.

Скипидар является дешевым источником сырья для синтеза душистых веществ . Так, из обоих пиненов легко получать бореол, который в странах Востока применяется в большом "количестве для культовых целей. Его ацетат очень ценят благодаря свежему аромату еловой хвои . Кроме методов, указанных при рассмотрении синтеза камфары, его можно получать непосредственно из скипидара с уксусным ангидридом.

К классическим синтезам ароматических веществ на основе скипидара относится получение терпингидрата XLIII и его дальнейшая переработка в терпинеол XLIV (). Терпингидрат можно получать с выходом 90% из терпентинного масла обработкой 25%-ной серной кислотой. Обрабатывать нужно примерно при 30°, так как при более высоких температурах при отщеплении воды идет образование терпенов.

Этот метод, как и другие, при которых терпентинное масло поглощается опилками, подробно описан в специальных трудах . При обработке очень разбавленной минеральной кислотой, например серной или фосфорной, терпингидрат переходит в терпинеол, который отгоняют с водяным паром или же особым способом отводят из зоны реакции с помощью нерастворимого в воде органического растворителя. Терпинеол применяется в качестве дешевого душистого вещества с оттенком запаха сирени, особенно для придания аромата мылам. То же самое относится к эфирам терпинеола, например к ацетату, пахнущему лавандой. Путем перегонки под вакуумом терпингидрата над натронным щелоком образуется р -терпинеол XLIV. По исследованиям Бэна, пинен с формальдегидом дает спирт нопол XLV, ацетат которого можно применять вместо гаранилацетата и линалилацетата. Это вещество тоже представляет технический интерес .

Одним из больших успехов фирмы Глидден является синтез гераниола XLVI, из пинена. К сожалению, относительно этого интересного превращения в специальной литературе нет никаких указаний.

Полученному продукту гераниол-стандарт R придают такой же аромат, каким обладает имеющийся в продаже гераниол из явского цитронеллового спирта, т. е. он содержит 55-60% гераниола, 10-15% нерола и 30% цитронеллола. Общее содержание спиртов - 98 %.

Можно думать, что синтез от пинена ведет к алифатическому терпену типа мирцена, в который путем гидратации или другим способом вводится спиртовая группа.

Душистые вещества с оттенком запаха кедрового, сандалового дерева и ветивера можно получать из терпенов по методу химической компании Lech-Chemie Gersthafen !.

По этому методу терпены известным способом подвергаются обменной реакции с фенолами, затем фенольная часть каталитически гидрируется в циклогексанол, а спиртовая группа окисляется в данном случае в кетон (см. формулу IV->XXI-> XLVII).

Например, о-крезол " при многочасовой обработке с бортрифторидом в ледяной уксусной кислоте при 100° подвергается обменной реакции с камфеном, что приводит к 1-окси-2- метил-4-камфилбензолу, соединение гидрируют, а затем окисляют. Кетон пахнет сандаловым и кедровым деревом. Аналогично получают из камфена и гваякола 1-окси-2-метокси-4-кам- филциклогексан, который пахнет сандаловым деревом и вети- вером .

Терпенальдегиды можно получить по методу Food Machinery & Chemical Corp. путем гидрирования терпенов, например d-лимонена и дипентена, а также последующей обработкой продуктов гидрирования окисью углерода и Н2 при температуре 140-150° под давлением . Так, из d-лимонена и дипентена получают 2-р-ментональдегид. Рурское химическое акционерное общество проводит гидрирование терпенов с катализатором Co-Th-Mg (инфузорная земля) при 138° и 150 атм, а затем вводят альдегидную группу с водяным газом . Следует упомянуть об опытах технического переведения d-лимонена через нитрозохлорид и 1-карбоноксим в вещество, пахнущее тмином, 1-карвон {27, 71, 18]. Это превращение может происходить при максимальном выходе 56-60% .

Целый ряд душистых веществ получают из парацимола XXVI, а последний - из скипидара с хорошим выходом (стр. 378). При сульфировании и щелочном "плавлении параци- мол переходит в тимол XLVIII и карвакрол IL ; оба они применяются в косметике, например для дезинфекции рта. От тимола путь ведет через каталитическое гидрирование к ментолу (L), веществу, пахнущему мятой (например, по методу Рейнского камфарного завода ). В другом месте описано более подробно, как при помощи нового метода окисления от р-цимола легко приходят к р-крезолу XXXI (см. стр. 379). Некоторые эфиры этого фенола представляют интерес для промышленности душистых веществ, например метиловый эфир (оттенок запаха аниса) и фениловый эфир (оттенок запаха герани).

Особенно интересно получение из р-цимола пахучего вещества- мускуса. В 1932 г. Барбье получил его путем обменной реакции р-цимола с третичным бутиловым спиртом и последующим нитрированием , а Живодан выпустил его на рынок в продажу под названием москен R . В то время предполагали, что р-цимол с третичным бутиловым спиртом под воздействием концентрированной серной кислоты превращается в соответствующий алкилированный р-цимол, а последний после нитрования дает динитробутил-парацимол. Между тем Кар- пентер, Истер и Вуд сумели доказать, что москен обладает структурой 1, 1, 3, 3, 6-пентаметил-динитро-5,7-индана (LI) . Эта индановая структура и другими была доказана и признана .

Приходится учитывать, что в будущем к многим упомянутым возможностям синтеза душистых веществ т скипидара прибавятся еще и другие. Благодаря этому появилась бы возможность, используя сосну, обойтись не только без камфарного дерева, но и без многих ценных душистых растений.

Обонятельные ощущения вызываются только в присутствии определенных материальных частиц. Пахучие вещества могут иметь форму газа, пара, тумана (жидких частиц), пыли и дыма. Пахучие свойства вещества зависят от наличия в них особых молекул, так называемых одоривекторов. Молекулярный вес этих частиц лежит между 17 (аммиак) и 300 (алкалоиды).

При обыкновенной температуре они летучи и легко растворимы в воде и жирах. Молекула может стать одоривектором лишь при условии неполного насыщения всех ее атомных связей.

Для возникновения обонятельного ощущения необходимо, чтобы одоривектор мог образовать еще одно дополнительное соединение с составными частицами протоплазмы обонятельных клеток. В настоящее время считают, что качество запаха зависит от присутствия в пахучей молекуле особых атомных групп-одорифератов и осмофоров; к ним принадлежат гидроксильная, карбоксильная, альдегидная, эстерная нитрогруппы и др.

Вопрос о классификации пахучих веществ до сих пор не может считаться разрешенным. Цваардемакер (Н. Zwaardemaker) предложил существующие запаховые вещества разделить на девять классов:

1) эфирные (запах фруктов, пчелиного воска, зфиров); 2) ароматические (запах камфары, горького миндаля, лимона); 3) бальзамические (запах цветов, ванили); 4) амбромускусные (запах амбры, мускуса); 5) чесночные (запах ихтиола, хлора, брома); 6) пригорелые запахи поджаренного кофе, табачного дыма, пиридина; 7) каприловые (запах сыра, разлагающегося жира); 8) противные (запах белены, клопов): 9) тошнотворные (трупный запах, запах кала).
Классификация Цваардемакера основана в большей своей части на субъективной оценке запаховых раздражителей и является в значительной степени искусственной.

На основании химической структуры запаховых веществ Геннинг (Henning) разделил их на шесть основных групп: 1) приятные запахи, 2) цветочные, 3) фруктовые, 4) смолистые, 5) пригорелые, 6) вонючие.

Все остальные запахи являются промежуточными между основными. Однако и эта классификация запахов не может считаться исчерпывающей. Вещества различной структуры могут вызывать одно и то же обонятельное ощущение. Так, например, бензальдегид и нитробензол обладают одинаковым запахом, но первый имеет как запаховое ядро (одориферное ядро) атомную групп у альдегидов, а второй-группу азота.

Гейнинкс (Heyninx) предложил классификацию запаховых веществ, основанную на их физическом свойстве-способности поглощать лучи ультрафиолетовой части спектра. Значительный интерес для изучения природы пахучих веществ представляет так называемый фэномен заряда. Это явление обнаруживается таким образом. Пахучее вещество в водном растворе распыляют воздухом или углекислотой под давлением в 2 ат посредством ингаляционного аппарата.

Образующийся туман оседает на металлическом диске (диаметр диска равен 10-20 см). Диск изолируется; его штатив ставят на парафин и сооб щают с электроскопом, который должен быть также хорошо изолирован. При распылении пахучего вещества появляется электрический заряд; при распылении частиц воды без пахучего вещества заряда не будет.

Заряд имеет всегда положительный знак ; более мелкие частицы вещества в окружающем диск воздухе имеют заряд отрицательный. Феномен заряда свойствен всем пахучим веществам, но не в одинаковой сте пени. При получении этого феномена значительную роль играет степень растворимости пахучего вещества, так как только хорошо растворимые молекулы дают отчетливый заряд. Этот феномен ясно выражен при пахучих веществах, обладающих наибольшей летучестью (летучесть определяется точкой кипения).

Значение феномена заряда заключается в том, что он позволяет узнавать наличие одоривекторов там, где обоняние не определяет запаха. Механизм обоняния. Опытами ряда исследователей (Цваардемакера, А. А. Ушакова, И. М. Киселевского, А. Д. Романовского и др.) установлено, что до обонятельной области носа (regio olfactoria) пахучие вещества доходят очень медленно и постепенно-путем диффузии воздуха.

Для получения обонятельного восприятия важно движение воздуха в носовой полости; при неподвижном воздухе пахучие вещества не воспринимаются и не дают обонятельного ощущения. Интенсивность обонятельного ощущения зависит не столько от той или иной концентрации пахучего вещества, сколько от изменчивости его концентрации в местах соприкосновения с обонятельной областью носа.

Что касается механизма воздействия пахучих веществ на обонятельные клетки, то здесь имеется ряд неразрешенных вопросов. Во-первых, должны ли частицы одоривектора прийти в непосредственный контакт с обонятельными клетками или пахучее вещество может быть передано обонятельпому рецептору на расстоянии посредством волнообразных колебаний самих пахучих веществ или посредством каких-нибудь других энергетических процессов.

Во-вторых, если пахучее вещество должно контактировать с обонятельными клетками, то производит ли оно на рецептор химическое или физическое воздействие. Предложенные различные теории обоняния могут быть разделены на три группы: физические, химические и физико-химические.