Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

Итак, Турин совершил открытие: из тысяч веществ, запахи которых известны человеку, такую же вонь, как и сероводород, источает молекула с такой же частотой колебаний химической связи. Это звучало весьма убедительно, поэтому теория колебаний химических связей получила широкую поддержку среди исследователей механизмов обоняния. Как вы помните, парфюмеры на протяжении долгих десятилетий бились над тем, как подобрать молекулярный ключик к тайне запаха. Турину удалось совершить то, чего не сумел добиться ни один химик: предсказать запах вещества, опираясь лишь на теоретические рассуждения. Для химиков это было равносильно тому, как если бы кто-то предсказал запах духов, исходя из формы флакончика. Теория Турина также описывает весьма правдоподобный с биологической точки зрения квантовый механизм, благодаря которому биомолекула способна распознавать молекулярные колебания. Однако теоретически «правдоподобного» механизма недостаточно. Где же кроется истина?

Битва носов

Возникновение теории колебаний сопровождалось очевидными яркими удачами, например в случае с предсказанием запаха декаборана. И все же она сталкивается с некоторыми проблемами, близкими тем подводным камням, которые не смогла обойти теория замка и ключа, — наличием зеркальных изомеров (например, лимонена и дипентена) с различными запахами и одинаковыми спектрами колебаний. Турин решил проверить еще одно предположение, выдвинутое в рамках его теории. Как вы помните, гипотеза о возникновении эффекта туннелирования во время действия фермента (см. главу 3) проверялась путем замены обычного атома водорода на более тяжелые изотопы, например дейтерий, с целью использовать кинетический изотопный эффект. Турин провел похожий эксперимент с запахом ацетофенона, который описывается как «резкий сладкий аромат… напоминающий запах боярышника или цветущего апельсинового дерева». Турин приобрел весьма дорогостоящую партию ацетофенона, в которой каждый восьмой атом водорода в углерод-водородных связях был заменен дейтерием. Чем тяжелее атомы (и чем толще гитарные струны), тем ниже частота их колебаний. Частота колебаний обычной углерод-водородной связи находится в промежутке от 85 до 93 терагерц, однако в случае замены атома водорода дейтерием частота колебаний углерод-водородной связи снижается до 66 терагерц. Таким образом, «дейтеризованное» вещество отличается от вещества, где в связях с углеродом находятся обычные атомы водорода, спектром колебаний. Но отличается ли оно еще и запахом? Перед тем как осторожно понюхать оба вещества, Турин плотно закрыл двери своей лаборатории. Он был уверен в том, что «вещества пахли по-разному; дейтеризованная партия обладала менее сладким запахом, как будто более растворенным»[77]. Даже после тщательной очистки обоих веществ Турин был убежден, что партия с обычным водородом и партия с дейтерием имеют абсолютно разные запахи. Таким образом, он заявил, что его теория доказана.

Исследования Турина привлекли внимание инвесторов, вложивших немалые деньги в основание новой компании Flexitral, цель которой заключалась в том, чтобы успешно применить идеи о квантовых колебаниях молекул в производстве новых ароматов. Журналист Чандлер Берр написал книгу о том, как Турин шел к разгадке тайны молекулярных механизмов запаха[78], а компания BBC сняла документальный фильм о его исследованиях.

Тем не менее многих ученых было не так легко убедить в истинности данной теории, особенно приверженцев теории замка и ключа. Лесли Восшелл и Андреас Келлер из Рокфеллеровского университета (Нью-Йорк) повторяли пробы обычного и дейтеризованного ацетофенона на запах. Не полагаясь на тонко организованный нюх Турина, они пригласили 24 «наивных» испытуемых с целью выявить, чувствуют ли они разницу в запахах двух веществ. В результате был получен однозначный ответ: разницы нет. Статья Восшелла и Келлера была опубликована в журнале Nature Neuroscience в 2004 году[79] и сопровождалась мнением редактора, который отозвался о теории колебаний как о «не имеющей веса в научных кругах».

Однако, как подтвердит любой врач-исследователь, пробы, подразумевающие участие человеческих органов чувств, всегда сопряжены с рядом сложностей, таких как ожидания испытуемых или их опыт, предшествовавший эксперименту. Чтобы избежать подобных сложностей, команда ученых под руководством Эфтимиоса Скулакиса из Института Александра Флеминга (Вари, Греция) совместно с исследователями из МТИ, среди которых был и Лука Турин, решила провести эксперимент с более надежными испытуемыми — плодовыми мушками, выведенными в лабораторных условиях. Данный эксперимент по своему принципу напоминает эксперимент Габриэле Герлах с выбором потока воды коралловыми рыбками (мы говорили об этом эксперименте в самом начале данной главы). Ученые назвали этот эксперимент T-лабиринтом. Мушек запускали в лабиринт T-образной формы через узкий стержень и подгоняли к развилке, где они должны были решить, в какую сторону им лететь — направо или налево. С обеих сторон развилки в лабиринт был закачан ароматизированный воздух. Подсчитав количество мушек, выбравших то или иное направление, ученые надеялись определить, способны ли мушки почувствовать разницу в запахах, закачанных соответственно в левый и правый рукав лабиринта.

Для начала ученые выяснили, чувствуют ли мушки запах ацетофенона. Оказалось, что они чувствуют его прекрасно: достаточно было распылить крошечную капельку вещества в правом рукаве лабиринта, как почти все мушки послушно устремились на его фруктовый аромат. Затем ученые заменили обычные атомы водорода в молекулах ацетофенона на дейтерий. В ходе данного эксперимента ученые меняли на дейтерий не каждый восьмой атом водорода, а три, пять или сразу все восемь атомов. Каждый вариант проверялся отдельно, причем в одном из рукавов лабиринта всегда оставалась недейтеризованная форма вещества. Исследователей ожидали поразительные результаты. Когда в левом рукаве был распылен ацетофенон с тремя тяжелыми изотопами в молекуле, мушки забывали о своих предпочтениях и выбирали направление совершенно беспорядочно: то направо, то налево. Когда в правом рукаве распылялся дейтеризованный ацетофенон с пятью или восьмью замещенными атомами в молекуле, мушки решительно сворачивали налево, подальше от дейтеризованного запаха. Казалось, что они чувствуют разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой ацетофенона и им не очень-то нравится запах последней. Команда ученых ввела в эксперимент два дополнительных вещества. Выяснилось, что мушки легко различали на запах формы октанола с обычным водородом и дейтерием, однако не чувствовали разницу между соответствующими формами бензальдегида. Чтобы доказать, что при определении направления в лабиринте мушки пользуются именно обонянием, ученые провели такой же эксперимент с мушками-мутантами, у которых отсутствовали функциональные обонятельные рецепторы. Как и ожидалось, мушки-аносмики[80] не способны различать формы пахучих веществ с обычными атомами водорода и дейтерием.

Используя набор условных рефлексов Павлова, ученые научили мушек ассоциировать некоторые формы веществ с наказанием — легким ударом электрического тока, пропускаемого через лапки. Группе исследователей удалось провести еще один замечательный эксперимент, проверяющий состоятельность теории вибрации. Сначала ученые приучили мушек избегать веществ, в которых атом углерода был связан с дейтерием (частота колебаний данной химической связи равна 66 терагерцам). Затем они решили проверить, будут ли мушки избегать встречи с другими веществами, в молекулах которых окажутся другие химические связи, совершающие колебания с той же частотой. Проверка прошла успешно. Мушки, приученные избегать веществ, в молекулах которых есть связь углерод — дейтерий, также избегали встречи с группой веществ под общим названием «нитрилы», в молекулах которых углерод-азотная связь, несмотря на значительное отличие от углерод-водородной связи по структуре и химическим свойствам, совершает колебания с той же частотой. Результаты данного исследования были опубликованы в 2011 году в престижном научном издании Proceedings of the National Academy of Science[81], что значительно укрепило позиции теории колебаний, по крайней мере в объяснении механизма обоняния плодовых мушек.

Год спустя Скулакис и Турин присоединились к группе исследователей из Университетского колледжа Лондона с целью продолжить поиски ответа на деликатный вопрос о том, основан ли механизм обоняния человека на распознавании колебаний молекулярных связей. Вновь не полагаясь на тонкий нюх Турина, команда ученых пригласила для участия в пробах на запах 11 испытуемых. Сначала ученые подтвердили результаты, полученные Восшеллом и Келлером: испытуемые не различали по запаху обычный и дейтеризованный ацетофенон. Однако ученые предположили, что восьми атомов в углерод-водородной связи может быть недостаточно. Возможно, сигнал, поступающий от дейтеризованной формы ацетофенона, настолько слаб, что человеческий нос его просто не улавливает. Ученые решили исследовать восприятие людьми веществ, отличающихся более сложной структурой и имеющих запах мускуса (например, тех, что показаны на рис. 5.2).