Одно неизвестное и двадцать гипотез…

запах цветка...Непостижимый этот запах Доступный пониманью пчел.

Он составляет в эти миги,

Когда он за сердце берет,

Предмет и содержанье книги,

А парк и клумбы — переплет…

 

Очень многое можно узнать о стихотворении. Нетрудно опреде­лить его размер и систему рифм, найти аллитерации и ассонансы, подчеркнуть эпитеты и метафоры. Только одного не раскроет са­мый тщательный анализ — причи­ны, почему именно это стихотво­рение волнует нас. Вот так и душистые вещества. Они не таят в себе, на первый взгляд, особых секретов. Можно узнать их моле­кулярный вес и просто вес, спектр, коэффициент преломления, лету­честь, давление паров, даже точ­ную структурную формулу и толь­ко химики знают, что еще. Лишь одного точно не знают об этих ве­ществах даже химики — почему они пахнут?

запах цветовКонечно, тысячи томов за­полнены точными сведениями об «ароматических ядрах» и об ато­мах — носителях запаха. Совре­менная химия душистых веществ повторяет ароматы знаменитых амбры и мускуса и создает запа­хи, которых нет в природе.

Но все это химия делает, про­дираясь через лабиринт загадок и ловушек, расставленных на ее пу­ти. В каком-то смысле дело об­стоит хуже, чем на корабле без компаса. Компасов много, но их показания различны. Все ли они врут, или один верен — никто не знает. И вахтенный недоверчиво смотрит на горизонт: земля ли там? А может быть, это белеет пена у подводных рифов, от кото­рых добра не жди?

Посудите сами, верно ли сравнение. В «правилах», по ко­торым вещества имеют или не имеют запаха, к каждому почти параграфу есть примечание об ис­ключениях. Да и само правило порой выглядит как какое-то ис­ключение из привычных представ­лений о законах природы. Вот, в качестве примера, такой парадокс. В пахучих веществах обычно есть особая группа атомов, от которой, как считают, зависит запах (такие группы носят имя осмофоров — носителей запаха). Одкако увели­чение в одной молекуле числа «осмофоров» не усиливает запах, а ослабляет его. А то и совсем уничтожает. Получается, что чем больше слагаемых, тем менше сумма.

Правда, иные вещества отка­зываются подчиняться такому антиматематическому правилу. Но от этого не становится на много легче. Все-таки, хоть парадоксаль­ный, но закон. А тут опять — ис­ключение.

Или, скажем, формула како­го-то душистого вещества. Ее ос­нова — колечко из химических символов, обозначающих атомы углерода с их обычной свитой из водорода и кислорода; атомы уг­лерода соединены черточками, обозначающими валентные связи. Минуту внимания! Вот здесь вме­сто одной черточки — две. Двой­ная валентная связь.

цветокПоэтому вещество так и пах­нет — скажет химик.— Есть такое правило!

Увы, тут же выясняется, что можно веществу иметь в молеку­ле двойную химическую связь и не пахнуть — что поделаешь, и на этот раз никуда не деться от ис­ключения.

Но вот в формуле к двум черточкам добавилась третья — вме­сто двойной валентной связи по­явилась тройная — и запах стал неприятным. Если только… Да, вы угадали. Если только вы имеете дело не с исключением, на этот раз приятным. А тогда из колбы может донестись бодрящий запах свежей зелени, тонкий аромат ве­сенней березовой рощи или даже свежих листьев фиалки.

 

Словом исключение за исключением и снова исключение… Притом очень похожие по строе­нию и свойствам вещества могут пахнуть по-разному; даже изоме­ры, различающиеся только распо­ложением групп атомов, а не со­ставом И наоборот, совершенно различные вещества — одинаково. Формулы, например, мускуса и его заменителей очень несхожи. Но пахнут эти соединения одина­ково или почти одинаково.

ЗАКОН СРЕДИ БЕЗЗАКОНИЯ

А теперь немножко о прави­лах более точных, «почти», «как будто» и даже совсем не знающих исключений. Прежде всего, запах совершенно явно зависит от молекулярного веса вещества. Неизве­стно ни одно пахучеее вещество с молекулярным весом меньше 17. И точно так же отказываются пахнуть слишком сложные высоко­молекулярные соединения. Верх­ний предел, потолок пахучести — молекулярный вес 300. Почему именно 300? А вот это уже неизвестно. В природе самих высоко­молекулярных веществ объясне­ний данному факту не найдено. Правда, запах связан с летуче­стью вещества, а чем больше мо­лекулярный вес, тем менее летуче вещество. Но, во-первых, и из это­го правила есть исключения. А во- вторых… Можно подобрать у та­инственной границы, обозначенной числом 300, странные пары ве­ществ. Более тяжелое из них — одновременно и более летучее (мы уже оговорились, что так бывает). Но пахнет-то как раз только бо­лее легкое и менее летучее из двух.

Есть у всех пахучих веществ, какой бы природы они ни были, несколько общих черт. Почти у каждого коэффициент преломле­ния близок к 1,5. Все они погло­щают инфракрасные лучи со сход­ной длиной волны. Найдены кое- какие общие закономерности в по­верхностном натяжении и в тем­пературах кипения душистых ве­ществ.

Еще одна общая черта. Если взять раствор любого душистого вещества, распылить его под дав­лением в виде тумана так, чтобы часть капелек осела на изолиро­ванный металлический диск, диск приобретает электрический заряд. Если сделать то же самое просто с водой, этого не случится. Дан­ное явление называют «феноме­ном заряда». Полного объяснения ему пока не подыскано.

Еще одна любопытная деталь. Пахнут только молекулы — от­дельные свободные атомы не пах­нут. И пахнут только соединения, вещества смешанного химического происхождения — правда, за семью исключениями. Фтор, хлор, бром, йод, мышьяк и фосфор пах­нут даже в чистом виде. А послед­ний член семерки — кислород — только в виде трехатомной моле­кулы — озона.

ЗАКОЛДОВАННОЕ МЕСТО

После всего сказанного мож­но не удивляться, что общей тео­рии обоняния до сих пор не соз­дано. Несмотря на то, что создать ее пытались далеко не второсте­пенные в науке люди.

Неутомимый Ломоносов соз­дал одну из первых научных ги­потез о природе обоняния. Карл Линней разрабатывал классифи­кацию запахов. Английский уче­ный Вильям Рамзай, физик и хи­мик, открыватель новых законов природы и новых элементов, тоже пытался создать теорию обоняния. Его соотечественник Джон Тин­даль, исследователь законов дви­жения света и звука, выдвинул свои предположения о запахе. Можно назвать еще поэта и уче­ного Эразма Дарвина, деда вели­кого Чарльза Дарвина.

А Абрама Федоровича Иоффе, известного физика, привела в науку родившаяся в детстве меч­та объяснить природу запаха. Так рассказывает он в своих воспо­минаниях. Он открыл многое, очень многое, но не эту тайну.

Один из зарубежных хими­ков — швейцарец Леопольд Ружичка, исследователь гормонов и душистых веществ, сделавший очень многое и для парфюмерии и для медицины, не так давно с грустью отметил, что за последние сорок лет не видно особых дости­жений в теории обоняния. А сам Ружичка, придя в науку, мечтал создать именно эту теорию.

Воистину заколдованное ме­сто, на котором — совсем как у Гоголя в «Вечерах на хуторе близ Диканьки» — ни у кого «не вы­танцовывается».

И Ломоносов, и Рамзай, и Иоффе (правда, всерьез теорией обоняния он так и не занялся), считали, что запах имеет волно­вую природу. Только Ломоносов говорил о волновом движении ча­стиц эфира, Рамзай же — о коле­баниях, промежуточных по часто­те между звуком и светом. Ученые середины двадцатого века, разу­меется, говорят об электромагнит­ных волнах определенного диапа­зона, конкретнее — об инфракрас­ных лучах.

В основу этого предположе­ния легло то обстоятельство, что все душистые вещества сильно по­глощают инфракрасные лучи. (Впрочем, как и ультрафиолетовые. Но «ультрафиолетовая гипо­теза» тоже уже появилась.)

Иными словами, ряд ученых видел и видит в молекулах паху­чих веществ своеобразные генера­торы инфракрасных лучей. А в нервных обонятельных клетках — приемники таких лучей. Тем са­мым обоняние сближается со зре­нием. В пользу этого предполо­жения говорит то, что участки слизистой оболочки носа, воспри­нимающие запахи, окрашены, так же как и воспринимающие свет клетки глаз.

Известно, что окрашенные мо­лекулы, как правило, менее стой­ки и гораздо легче возбудимы, чем неокрашенные. Колебания мо­лекулы пахучего вещества накла­дываются на собственные колеба­ния частиц пигмента и те, резони­руя, вызывают перераспределение зарядов в нервной ткани, в ко­нечном счете приводя к нервному импульсу — сигналу о запахе. Мало того, из ткани обонятельных клеток удалось выделить витамин А и каротиноиды — те же веще­ства, что содержатся в клет­ках, ведающих в организме зре­нием.

То, что молекулы колеблются и способны генерировать электро­магнитные волны — неоспоримо. Но и здесь есть, по меньшей мере две точки зрения. По одной — обонятельный орган воспринимает колебания молекул только тогда, когда эти молекулы попадают на его поверхность. По другой — ко­лебания могут приниматься на расстоянии, как и в случае со зре­нием. Некоторые ученые отводят обонятельной клетке роль не толь­ко радиоприемника, но и радио­передатчика. Особые обонятель­ные волоски якобы генерируют волны длиной в 8—14 микрон. С приближением молекул, погло­щающих это излучение, генерация усиливается, вместе с лучами ухо­дит тепло. Охлаждение нервных окончаний в слизистой оболочке вызывает ощущение запаха.

Тут вспоминается опыт, на который многократно ссылались авторы статей, опубликованных в последние годы в наших популяр­ных журналах, Американские ученые Бек и Майлз взяли два резервуара с за­стекленными окошками, положили в них мед и герметически закрыли. Стекло в одном из резервуаров пропускало инфракрасные лучи, в другом нет. Как утверждали Бек и Майлз, пчелы, которых они впу­стили в комнату с резервуарами, скопились на окошке, пропускавшем инфракрасные лучи. Опыт, действительно, кажется бесспор­ным и доказательным. Но увы, еще лет пять назад на междуна­родном симпозиуме по проблеме обоняния было сообщено о кон­трольных опытах, проделанных уже другими учеными. Условия были те же, но пчелы «заупрями­лись» — они садились поровну на оба резервуара. Мне кажется, что те, кто победил в этом споре, предпочли бы потерпеть пораже­ние. Все-таки хоть что-нибудь прояснилось бы!

Впрочем, для того чтобы по­ставить аналогичный опыт, не ну­жны ни мед, ни пчелы. Достаточ­но взять сильно пахучее вещество и заключить его в герметически закрытую полиэтиленовую трубку. Ваш собственный нос заменит бекмайлзовских пчел. Вернее, пчел их противников, поскольку запаха вы не почувствуете, а полиэтилен про­пускает те самые волны длиной 8—14 микрон, в которых подозре­вают передатчиков запаха.

Ученый Оттосон решил про­верить не какой-то определенный запах, а сразу многие. Он покрыл слизистую оболочку собственного носа тончайшим слоем пластика, пропускающего инфракрасные лу­чи. И тут же потерял обоняние.

Есть и другие доводы «про­тив». При тонкости современной аппаратуры инфракрасные лучи запаха были бы, вероятно, заме­чены. И, наоборот, в технике час­то приходится иметь дело с ин­фракрасными лучами, но как за­пах они не воспринимаются.

И, наконец, есть пары ве­ществ, молекулы которых колеб­лются примерно одинаково, а за­пах у них разный. И наоборот.

И все-таки то, что мы расска­зали,— от неудачных опытов до теоретических рассуждений — еще не означает крушения волновой электромагнитной теории запаха. Тем боле, что за нее стоят неко­торые убедительные факты. На­пример, тот, что к бабочке-самке слетаются за несколько кило­метров самцы. Их манит запах вещества, выделяемого особой же­лезой бабочки. Представить себе, что летучие частицы этого веще­ства смогли за короткий срок преодолеть такое расстояние, да еще в штиль или даже против слабого ветра — трудно. Знамени­тый французский энтомолог Жан-Аири Фабр возмущенно заявил, что это было бы равносильно окрашиванию целого озера с по­мощью одной капли кармина. Он даже пришел к выводу, что обоня­ние у насекомых должно иметь иную природу, чем у людей…

цветыИ все-таки, невзирая на «про­тесты бабочки», сегодня во всем мире большинство ученых скло­няется к химической теории обо­няния, сближающей это чувство не со зрением, а со вкусом. Запах, по их взглядам, ощущается толь­ко при попадании молекул веще­ства на слизистую оболочку носа. Собственно, просто теорией это назвать нельзя — таково общее направление нескольких гипотез. Каждая из них по-своему пред­ставляет то, что происходит на слизистой оболочке носа.

Согласно выдвинутой еще в 1920 году гипотезе Леопольда Ружички, пахучие вещества, попав в нос, прежде всего растворяются в жидкости, покрывающей обоня­тельную область. Затем они всту­пают в связь с особыми химиче­скими веществами — осмоцепторами (захватывающими запах). Каждый из осмоцепторов «ведает» только определенными группами атомов. Возникшие в результате новые вещества и воздействуют на нервные окончания. Сами же они (новые вещества) так нестойки, что тут же распадаются. Этим и объясняется, почему ощущение запаха «не задерживается». Когда запах очень силен, постепенно все осмоцепторы оказываются захва­ченными молекулами пахучего ве­щества, и запах вообще перестает восприниматься — так мы привы­каем, адаптируемся даже к силь­ным и стойким запахам.

Итак, в обонятельной обла­сти носа, видимо, идут какие-то химические реакции. Реакции, происходящие с почти непостижи­мой быстротой. Эта-то быстро­та — сильный довод сторонников волновых гипотез. Запах воспри­нимается молниеносно, под силу ли такое химической реакции? Но в быстроте нет ничего сверх- естественного и невозможного. Живой организм обладает мощ­нейшими ускорителями химиче­ских процессов — ферментами. Да и неорганические катализаторы в обычнейших пробирках дают по­рой фантастические результаты.

Обыкновенная вода, в которой 45 секунд полежала медная пла­стина, ускоряет окисление серни­стой кислоты в 80 раз!

Если слизистая оболочка вла­деет подобными «секретами», для реакций с целыми тысячами ве­ществ — у нее есть чему по­учиться. Продукты этих сверхско­ростных реакций, возможно, и вы­зывают в нервных окончаниях ощущение запахов.

По мнению авторов других гипотез, это ощущение объясняет­ся переходом электронов с моле­кул пахучего вещества на слизи­стую оболочку; третьи полагают, что молекулы изменяют в ее клет­ках поверхностное натяжение, что и воспринимается как запах…

Четвертые настаивают на том, что есть всего несколько типов запахов, каждому из которых со­ответствует в носу свой тип при­емника. Так же, как существуют четыре основных вкуса (сладкий, кислый, горький, соленый), кото­рым соответствуют четыре типа вкусовых почек поверхности язы­ка.

В пользу этого предположе­ния уже давно было найдено не­мало фактов.

Описан случай, когда при ос­тром насморке человек, нюхая фиалку, чувствовал запах розы, а позже — запах сигары.

Это можно объяснить только выключением части приемников. Большинство природных запахов (в том числе — фиалки и розы) запахи явно смешанные. В первом случае в «оркестре фиалки» пере­стали играть какие-то важные «инструменты» и впечатление (за­пах) стало другим. Точнее, отказа­ли не инструменты, а приемники исходящих от них сигналов.

Еще в конце прошлого века один французский исследователь смазал себе зев раствором кисло­ты. На два дня он вообще лишил­ся обоняния, на третий день мог ощущать запах только креозота, на двенадцатый — ананаса, воска, ладана, на восемнадцатый — мус­куса, и лишь через три месяца обоняние восстановилось в более или менее прежнем объеме.

Американский химик Дж. Эмур пришел к выводу, что есть семь типов приемников запаха. Он выделил первичные запахи; кам­фарный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный, острый и гни­лостный. Ему как будто удалось составлять из этих семи составных частей любой заданный аромат. Пойдя дальше, он и некоторые другие исследователи нашли, что решающую роль для запаха игра­ет стереометрия, форма молекул вещества, то, как она подходит к соответстующему углублению в «приемнике».

бабочкиКамфарным запахом облада­ют вещества с молекулами в фор­ме шара; мускусный запах при­сущ дискообразным молекулам; если у диска есть что-то вроде хвоста, получается цветочный за­пах. Эфирный запах имеют моле­кулы-палочки…

Острый же и гнилостный за­пах связаны не с формой молеку­лы, а с их электрическим состоя­нием. Большой положительный заряд воспринимается как острый запах, отрицательный заряд — как гнилостный. Кстати, о значе­нии формы молекулы для запаха начали говорить очень давно. А в последнее время многие ученые пришли к выводу, что наиболее родственное обонянию чувство — вкус имеет, в конечном счете, то­же стереохимическую природу.

Исходя из этой гипотезы, уда­лось даже предсказать запахи не­скольких вновь создаваемых ве­ществ.

Косвенно подтверждают ги­потезу недавние работы советско­го биофизика А. Л. Бызова. Отво­дя микроэлектродами биотоки из клеток, ведающих обонянием у ля­гушки, он выяснил, что для этого животного запахи делятся по крайней мере на пять резко от­личных групп. Аналогичные ре­зультаты с выделением восьми групп запахов получил за рубе­жом Р. Гестлэнд.

Значит, разгадка близка? Хо­рошо бы! Но пока вопрос далеко не ясен. Уже были случаи кажу­щейся победы одной какой-то тео­рии, тоже связанные и с пред­сказаниями запахов, и с блестя­щими опытами. А затем новые факты и даже старые, но по-дру­гому истолкованные, неожиданно разрушали стройные сооружения теоретиков. Уже вызывает неко­торые сомнения то обстоятельство, что учитывается лишь одно свой­ство пахучих веществ — форма их молекул. Остается открытым во­прос, почему все вещества, обла­дающие запахом, имеют между собой столько общего в других, самых разных областях.

Существуют и факты, которые не объясняет ни одна из теорий. Окись цинка, некоторые другие окислы металлов, глина и многие минералы в сухом виде не пахнут. Но стоит добавить воды… Впро­чем, кому не знаком запах сырой глины? Собаки же чувствуют за­пах растворов поваренной соли и хинина. Между тем, по-видимому, молекулы этих веществ не поки­дают раствора, испаряется только вода.

А МОЖЕТ БЫТЬ, ВИНОВАТ НОС?

В чем? Да во всей этой пута­нице с обонянием. Нос очень бы­стро привыкает к запахам, адап­тируется к ним. Нервы перестают передавать в мозг сообщения о привычном запахе. Мы его уже не ощущаем.

носТак почему, собственно, мы считаем, что не пахнут обычный кислород воздуха, азот, углекис­лый газ? Может быть, их сигналы просто не доходят до мозга?

И еще, может быть, многие лишенные запаха вещества, на са­мом деле могли бы для нас пах­нуть, если бы чем-то не «напоминали» нервным окончаниям другие соединения, к которым те уже привыкли?

Но не надо все валить на сли­зистую оболочку. Постараемся по­смотреть дальше собственного носа.

Теории и гипотезы противоре­чат одна другой. Но пессимизм здесь ни к чему. Мы с вами побы­вали просто на строительной пло­щадке. Мы прошли мимо груд кирпичей, куч песка, деревянных оконных рам и железа для труб и крыши. Все это несхоже, но всему этому суждено объединиться в но­вом здании, обрести цельность и красоту. А здание пока только строится. Теория обоняния соз­дается. Будет создана. Слишком много у душистых веществ общих черт, чтобы это было случай­ностью.

Заколдованное место будет расколдовано.

А раскрытие его природы, ка­кой бы она ни оказалась, будет замечательной научной победой. Это только в том случае, если природа запаха окажется волно­вой — сказал мне знакомый.— Вот тогда, действительно, хоть создавай телескопы запаха и ню­хай цветы на планетах вокруг Альфы Центавра. А если хими­ческой? Что это даст нового?

Что нового? Хотя бы откроет секрет таинственных ферментов, по быстроте действия превосходя­щих все, чем обладает современ­ная химия, и при том, видимо, в отличие от большинства фермен­тов, действующих на сотни разных веществ… А главное, раскрытие природы обоняния позволит в кон­це концов создать «обоняющие» приборы. А они нужны в пищевой промышленности и криминалисти­ке, в работе с нефтью и газами и даже в медицине. Издавна врачи пользовались при диагнозе обоня­нием, они знали, что при тифе больной пахнет кислотой, что имеют свои запахи оспа, дифте­рит, рак. Всех возможностей та­ких приборов сегодня просто нельзя предугадать.

Словом, чем труднее будущее открытие, тем оно заманчивее, это давно известно.

Р. Подольный

***

Основой групп-осмофоров часто бывают атомы кислорода, серы, азота, фосфора, мышьяка, селена.А вот примеры органических осмофоров: формула

**

Перед нами два родственных вещества:

формула химическая

В формулах разница только в том, что в верхней цепочке дигидрогенола из-за «лишнего» атома водорода вместо двой­ной валентной связи присутствует одиночная. Эвгенол сильно и красиво пахнет гвоздикой. А его лишенный двойной связи родич почти не имеет запаха.

**

Вот формула фолиона:

химическая формула

Это он, вопреки «закону о тройной связи», сильно пахнет свежими листьями фиалки.

**

Ванилин и изоваиилин различаются лишь порядком расположения боковых групп атомов. Ванилин — известнейшее душистое вещество. Изованилин начинает пахнуть только при нагревании.

химическая формула

**

Мускон — метилциклопентадеканон, главное пахучее вещество природного мускуса. Получается в виде масла.

хим формула**

Мускус-кетон, один из синтетических заменителей мускуса. Имеет кристаллическое строение.

формула химия

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>