Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Химики применяют данный принцип при исследовании структуры молекул. Через образец исследуемого вещества пропускается луч света, и разница между цветом и частотой (то есть энергией) входящего и выходящего света фиксируется как рамановский спектр вещества, представляющий собой своего рода отпечатки его химических связей. Метод выявления данного спектра — рамановская спектроскопия — носит имя индийского физика. За разработку данного метода Раман был удостоен Нобелевской премии по физике. Услышав о результатах исследований Рамана, Дайсон понял, что они, возможно, объясняют и механизм, посредством которого органы обоняния идентифицируют колебания молекул запаха. Он предположил, что нос «является своеобразным спектроскопом», способным улавливать частоту колебаний различных химических связей. Он даже определил некоторые частоты Раман-спектра для веществ со схожим запахом. Так, частота пика комбинационного рассеяния всех меркаптанов (вещества, молекулы которых содержат концевую сероводородную связь) находится в диапазоне 2567–2580. Для всех этих веществ характерен запах протухших яиц.

В рамках теории Дайсона по крайней мере можно было объяснить аналитическую природу запахов, однако никто не мог даже предположить, каким образом нечто подобное рамановской спектроскопии используется в системе органов обоняния для формирования образа запаха. Для этого нам понадобился бы не только внутренний биологический спектроскоп, который бы улавливал и анализировал рассеянный свет. В первую очередь при восприятии запаха нам понадобился бы источник света.

Еще один серьезный недостаток теории Дайсона обнаружился тогда, когда стало понятно, что наши органы обоняния способны легко различать молекулы, имеющие одинаковую химическую структуру и идентичный рамановский спектр, однако при этом являются зеркальным отражением друг друга. Например, молекулу лимонена, формирующую запах апельсина, лежащего перед вами, можно назвать правосторонней молекулой. Однако существует практически идентичная по структуре молекула дипентена — левосторонняя (зеркальная) копия молекулы лимонена (рис. 5.3, на котором острые, затемненные области внизу каждой схемы обозначают углерод-углеродную связь, направленную в первом случае вниз, а в другом — вверх).

Рис. 5.3. Лимонен (а) и дипептен (б) — зеркальные изомеры с различными запахами. Молекулы различаются только направлениями нижних химических групп, которые на схеме обозначены затемненными стрелками (стрелка указывает вниз на схеме молекулы лимонена и вверх на схеме молекулы дипентена). Разумеется, молекулу дипентена можно перевернуть так, что данная химическая группа будет направлена вниз, как в молекуле лимонена, однако в этом случае двойная связь молекулы также поменяет расположение и окажется слева, а не справа, поэтому в структуре двух молекул все равно останутся различия. Подобные изомеры напоминают перчатки из одной пары

Дипентен имеет те же молекулярные связи, что и лимонен, и, соответственно, совпадает с ним в показателях рамановского спектра, однако он сильно отличается от лимонена резким скипидарным запахом. Молекулы, имеющие зеркальные отражения, называются хиральными[71]. В большинстве случаев они имеют разные запахи. Свойством хиральности обладает также карвон — природное вещество, содержащееся в семенах укропа и тмина. Карвон имеет тминный запах, а его зеркальный изомер — запах остролистой мяты. Два этих изомера нельзя различить методом рамановской спектроскопии, однако они легко идентифицируются по запаху. Понятно, что обоняние не может полагаться только лишь на обнаружение молекулярных колебаний.

Все эти, казалось бы, неотвратимые недостатки теории колебаний, объясняющей механизм обоняния, привели к тому, что ее надолго — практически на всю вторую половину XX столетия — затмила теория замка и ключа. Ученую общественность не расположили к ней даже усердные старания немногочисленных сторонников теории молекулярных колебаний исправить недостатки. Один из сторонников теории колебаний канадский химик Роберт Райт даже предложил потенциальное решение головоломки с зеркальными изомерами, имеющими различные запахи. Он высказал предположение о том, что сами обонятельные рецепторы обладают свойством хиральности (имеют лево- и правосторонние формы). Молекулу запаха может захватить рецептор с лево- или правосторонним строением, и в зависимости от этого колебания молекулярных связей будут восприняты по-разному. Обратимся к аналогии из мира музыки. Известно, что левша Джими Хендрикс (пусть он символизирует обонятельный рецептор) обычно играл на правосторонней гитаре (сравним ее с хиральной молекулой запаха), гриф которой был направлен вправо. Правша Эрик Клэптон играл на обычной гитаре (зеркальное отражение молекулы), гриф которой был рассчитан на левую руку[72]. Оба музыканта могли сыграть один и тот же рифф (произвести одинаковые колебания) на зеркальных гитарах, однако звук, улавливаемый микрофоном (который в нашей аналогии представляет детектор колебаний — часть обонятельного рецептора), установленным, скажем, слева от музыкантов, будет различным. Отличия будут обусловлены тем, что струны двух гитар (то есть молекулярные связи) по-разному расположены относительно микрофона. Райт предположил, что хиральные обонятельные рецепторы реагируют на частоту колебаний химических связей только в том случае, если химические связи находятся в подходящем для рецептора положении: он утверждал, что рецепторы бывают левшами и правшами, как и гитаристы. И все же теория колебаний осталась на периферии науки, так и не объяснив механизм работы биологического детектора колебаний химических связей.

Однако в теории замка и ключа (теории формы) также есть противоречия. Как мы уже говорили, в рамках данной теории невозможно объяснить наличие молекул с различной структурой и одинаковым запахом и наоборот. Размышляя над этими противоречиями, в 1994 году Гордон Шеперд и Кенсаку Мори сформулировали несколько идей, которые иногда объединяют общим названием «теория слабой формы», или «теория одотопа»[73]. Основное отличие данной теории обоняния от классической теории формы заключалось в предположении Шеперда и Мори о том, что обонятельные рецепторы идентифицируют форму не всей молекулы, а лишь ее части — определенной химической группы. Например, мы уже говорили о том, что в состав молекул веществ с мускусным запахом (схемы представлены на рис. 5.2) входит атом кислорода, связанный двойной связью с атомом углерода. Согласно теории одотопа, рецепторы обоняния реагируют именно на форму этих химических групп, а не на форму целой молекулы. Эта теория больше подходит для объяснения аналитической природы запаха, однако не лишена недостатков, как и теория колебаний. Недостатки, например, всплывают тогда, когда речь идет о молекулах, которые сильно различаются по структуре, однако содержат одинаковые химические группы. Так, ни теория одотопа, ни теория колебаний не может объяснить, почему вещества различаются по запаху, несмотря на одинаковые химические группы в составе молекул. Например, молекулы ванилина (основного компонента ванили) и изованилина состоят из шестиатомного углеродного кольца и трех одинаковых боковых групп, расположенных в неодинаковом порядке (рис. 5.4). Согласно теории одотопа, одинаковые химические группы должны иметь одинаковый запах. Тем не менее ванилин, как вы понимаете, пахнет ванилью, а изованилин отличается резким запахом фенола (сладковато-медицинский запах).