Квантовый нос и его обоняние

Обычному человеку нетрудно понять, в чем заключается смысл теории совпадения формы рецептора и молекулы: каждый день мы имеем дело с таким явлением, как комплементарность форм, надевая перчатку, вставляя ключ в замочную скважину или закручивая гайку гаечным ключом. Известно, что ферменты (о действии которых мы говорили в главе 3), антитела, рецепторы гормонов и другие биомолекулы взаимодействуют в основном посредством геометрического приспособления собственных атомов и молекул. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что теория совпадения формы рецептора и молекулы была поддержана многими биологами, в том числе Ричардом Экселом и Линдой Бак, получившими Нобелевскую премию за изучение обонятельных рецепторов.

Коммуникация, основанная на обработке колебаний химических связей, знакома и понятна нам в гораздо меньшей степени, несмотря на то что данный механизм лежит в основе как минимум двух каналов получения информации — зрения и слуха. В то время как физика таких процессов, как считывание глазом частоты колебаний света или фиксация ухом частоты колебаний воздуха, давно понятна, до недавнего времени никто не мог предложить ясного объяснения того, каким образом нос распознает частоту молекулярных колебаний.

Лука Турин родился в 1953 году в Ливане. Он изучал физиологию в Университетском колледже Лондона. Получив образование в Лондоне, он переехал во Францию, где ему посчастливилось работать в Национальном центре научных исследований. Однажды он посетил известный магазин «Галерея Лафайет» в Ницце и пережил там моменты истинного откровения. В центре большого парфюмерного павильона находилась витрина, уставленная продукцией японской компании Shiseido, а именно их новым запахом Nombre Noir, о котором Турин пишет так: «Это было нечто среднее между розой и фиалкой, но абсолютно без сладкой приторности, присущей обоим ароматам; напротив, в нем был слабый, едва уловимый оттенок запаха кедровой коробки для сигар. В то же время аромат вовсе не был сухим. Казалось, он переливался свежестью глубокого, теплого цвета, и капли поблескивали в нем, словно стеклышки витража»[75]. Японский аромат глубоко впечатлил Турина и вдохновил его на долгие поиски разгадки тайны запаха, а именно того, как молекулы, попадающие в нос человека, способны вызывать такие пронзительные ощущения.

Как и его предшественник Дайсон, Турин был убежден в том, что взаимосвязь спектра колебаний и запаха не может быть простым совпадением. Он соглашался с аргументом Дайсона о том, что обонятельные рецепторы каким-то образом улавливают молекулярные колебания. В отличие от Дайсона, Турин предположил наличие в системе органов обоняния весьма абстрактного, но в то же время правдоподобного молекулярного механизма, который представляет собой набор биомолекул, способных улавливать колебания химических связей посредством квантового туннелирования электронов[76].

Как вы помните из главы 1, туннелирование — это явление квантовой природы, основанное на способности частиц, например электронов или протонов, приобретать свойства волны и преодолевать препятствия, не преодолимые никаким другим способом, известным классической физике. В главе 3 мы говорили о том, что данное явление играет важную роль во многих реакциях с участием ферментов. Пока Турин бился над разгадкой тайны запаха, ему на глаза попалась статья о такой новой технологии, применяемой в химии, как туннельная спектроскопия неупруго рассеянных электронов (IETS). Механизм IETS таков: две металлические пластины помещают очень близко друг к другу, оставляя между ними тоненькую щель. Когда на пластины подается напряжение, электроны скапливаются на одной из них, придавая ей отрицательный заряд (пластина-донор). Вторая, положительно заряженная, — пластина-акцептор — начинает их притягивать. Если в рассуждениях не выходить за рамки классической физики, то можно утверждать, что электроны не обладают достаточной энергией для того, чтобы перепрыгнуть через щель, разделяющую две пластины. Однако электроны — это объекты, характеризующиеся квантовой природой, и если щель не очень широка, то они преодолеют путь от донора к акцептору посредством квантового туннелирования. Такой процесс называется «упругим» туннелированием, поскольку электроны не получают, но и не теряют энергию в ходе преодоления некоторого расстояния.

«Упругое» туннелирование электрона от донора к акцептору возможно при одном важном условии — наличии на акцепторе свободной точки с энергией, совпадающей с энергией электрона. Если ближайшая доступная для электрона точка акцептора характеризуется меньшей энергией, тогда электрону необходимо утратить часть собственной энергии, чтобы совершить прыжок. Такой процесс называется «неупругим» туннелированием. Ненужная энергия должна быть направлена куда-либо, иначе электрон не сможет совершить туннелирование. Если между пластинами помещается некое вещество, электрон может совершать скачок от донора к акцептору, передавая этому веществу лишнюю энергию. Это возможно до тех пор, пока молекулы вещества, расположенного между пластинами, имеют связи, совершающие колебания на частоте, соответствующей сообщаемой энергии. Избавившись таким образом от лишней энергии, электроны, совершающие «неупругое» туннелирование, попадают на пластину-акцептор с меньшим количеством энергии. Устанавливая различия между количеством энергии электронов, покидающих пластину-донор, и количеством энергии прибывающих на акцептор частиц, туннельная спектроскопия «неупруго» рассеянных электронов помогает определить свойства и природу молекулярных связей химического вещества.

Вернемся к аналогиям из мира музыки. Если вы когда-нибудь играли на струнном инструменте, вы должны знать, что извлечь звук из струны можно, даже не касаясь ее. Мы имеем в виду явление звукового резонанса. Этот «фокус» можно продемонстрировать, например, во время настройки гитары. Если вы поместите маленький кусочек тонкой бумаги на одну из струн, а затем возьмете ноту, соответствующую данной струне, на соседней, вы увидите, что бумажка упадет со струны, которой вы даже не коснулись. Это происходит потому, что в случае точной настройки струна, которую вы дергаете, передает воздуху колебания, а воздух, в свою очередь, передает колебания соседней струне. Возникает резонанс колебаний соседних струн. При «неупругом» туннелировании электрон перескакивает на пластину-донор, если в составе молекул вещества, помещенного между пластинами, окажется химическая связь, совершающая колебания с той частотой, которая необходима частице для совершения скачка. На самом деле электрон, совершающий туннелирование, теряет энергию в ходе дергания молекулярной связи во время квантового скачка между пластинами.

Турин предположил, что обонятельные рецепторы функционируют подобным образом, только роль обеих пластин и щели между ними выполняет одна-единственная молекула — собственно обонятельный рецептор. Он представил электрон, изначально расположенный на донорской стороне молекулы рецептора. Как и при «неупругом» туннелировании, электрон мог бы совершить скачок на сторону акцептора в пределах той же молекулы, но, как предположил Турин, частице мешало несовпадение энергий двух сторон молекулы. Однако если рецептор захватывает молекулу запаха, которая имеет химическую связь, совершающую колебания с подходящей частотой, тогда электрон способен совершить прыжок от донора к акцептору посредством туннелирования, одновременно передавая некоторое количество энергии молекуле запаха, «дернув» за одну из ее химических связей. Турин также предположил, что электрон, совершивший туннелирование и находящийся теперь на стороне акцептора, запускает молекулярный снаряд — G-белок, приводящий в действие обонятельный нейрон, который отправляет сигнал прямо в мозг, после чего мы наконец «ощущаем» запах, скажем, апельсина.

Турину удалось обнаружить множество косвенных доказательств своей квантовой теории колебаний. К примеру, как уже было сказано, для веществ, содержащих сероводородную связь, характерен резкий запах протухших яиц. В молекулах данных веществ содержится молекулярная связь S — H, совершающая колебания с частотой 76 терагерц (76 триллионов колебаний в секунду). В рамках теории Турина выдвигается смелая гипотеза: любое вещество, в молекуле которого обнаруживается химическая связь, совершающая колебания с частотой 76 терагерц, должно обладать запахом протухшего яйца независимо от формы молекул. К сожалению, немногие вещества могут похвастаться химическими связями с подобным спектром колебаний. Турин просмотрел практически всю имеющуюся литературу по спектроскопии в поисках упоминания о молекуле с той же частотой колебаний химической связи. Наконец он обнаружил, что концевые бороводородные связи в составе молекул боранов (бороводородов) совершают колебания с частотой 78 терагерц, близкой к частоте колебаний связи S — H. Так как же пахнут бороводороды? Такой информации в литературе по спектроскопии не нашлось, а сами вещества оказались такой редкостью, что Турин нигде не мог найти образец, чтобы понюхать самому. В статье одного из старых изданий он нашел упоминание о том, что бороводороды имеют отвратительный запах — то же можно сказать и о запахе серы. Таким образом, бораны — единственная на данный момент известная группа веществ, молекулы которых не имеют в своем составе атомов серы, но при этом обладают тем же запахом протухших яиц, что и сероводород. Одним из таких веществ является декаборан, молекулы которого состоят исключительно из атомов бора и водорода (химическая формула B10H14).

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).

В каждой молекуле подобного вещества содержится 28 атомов водорода, и все они могут быть заменены на дейтерий. На этот раз, в отличие от проб с ацетофеноном, все 11 испытуемых легко определили разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой мускуса. Возможно, люди и правда способны чувствовать разницу между молекулами, химические связи которых различаются спектром колебаний.

Физики принюхиваются

Одной из основных претензий, выдвигаемых против теории квантовых колебаний, является мнение о неубедительности ее теоретических оснований. Громче всех в наши дни это мнение опровергает команда физиков из Университетского колледжа Лондона, сунувших свои носы (простите мне этот каламбур) в квантовые расчеты, на которых строится теория туннелирования. Физики пришли к выводу о том, что теория «согласуется с лежащей в ее основе квантовой физикой и с тем, что нам известно о природе обоняния, при условии, что рецептор обладает определенными общими свойствами»[82]. Одна из исследователей, Дженни Брукс, даже предложила решение, казалось бы, неразрешимой проблемы зеркальных изомеров вроде лимонена и дипентена (см. рис. 5.3), характеризующихся одинаковыми спектрами колебаний и имеющих при этом совершенно разные запахи.

Если быть точными, первым к решению данной проблемы пришел преподаватель и научный руководитель Дженни, ныне покойный профессор Маршалл Стоунхэм, сформулировавший идею, которая позднее стала известна как модель пластиковой карточки. Стоунхэм был одним из ведущих британских физиков своего поколения. Сфера его научных интересов простиралась от вопросов ядерной безопасности до квантовых вычислений, биологии и даже музыки (он прекрасно играл на валторне). Теория Стоунхэма и Брукс представляет собой всего лишь доработку в терминах квантовой механики идеи Роберта Райта о том, что в механизме обоняния одинаково важная роль отводится как форме обонятельного рецептора, так и колебаниям связей внутри молекулы запаха. Ученые предположили, что связывающий карман обонятельного рецептора работает по тому же принципу, что и аппарат, считывающий пластиковые карточки. В пластиковую карту встроена магнитная полоса, обусловливающая возникновение электрического тока в считывающем аппарате. Однако далеко не любая карточка может быть вставлена в считывающий аппарат: она должна иметь определенный размер и толщину, магнитная полоса должна находиться с определенной стороны. Все эти условия должны быть соблюдены до использования , то есть до того, как вы начнете проверять, считывает машина вашу карточку или нет. Брукс совместно с коллегами предположила, что обонятельный рецептор работает по тому же принципу. Сначала, как утверждают ученые, молекула запаха должна войти в лево- или правосторонний хиральный связывающий карман, подобно тому как кредитка входит в щель считывающего аппарата. Итак, пахучие вещества с одинаковыми химическими связями, но различными формами молекул — лево- и правосторонней — будут «считываться» разными рецепторами. Только после того как молекула запаха попадает в подходящий рецептор, она может запустить тесно связанное с колебаниями электронное туннелирование и привести в действие обонятельный нейрон. И поскольку левосторонняя молекула захватывается левосторонним рецептором, ее запах будет сильно отличаться от запаха правосторонней молекулы, захватываемой правосторонним рецептором.

Обратимся в последний раз к нашей музыкальной аналогии, в которой гитара исполняет роль молекулы запаха, а струны выступают в качестве молекулярных связей, которые нужно дернуть, чтобы вызвать колебания. Эрик Клэптон и Джими Хендрикс, как вы помните, символизируют обонятельные рецепторы. Оба могут сыграть одни и те же молекулярные «последовательности нот», однако лево- и правосторонние молекулы должны захватываться соответствующими рецепторами. Иными словами, правша должен играть на правосторонней гитаре. Итак, несмотря на то, что лимонен и дипентен характеризуются одинаковым спектром колебаний, их молекулы захватываются разными рецепторами. Сигналы разных рецепторов обрабатываются разными отделами мозга, поэтому у нас и возникают разные образы запахов. Подобное сочетание теории замка и ключа и теории квантовой вибрации предлагает наконец описание такой модели обоняния, которая не противоречит результатам экспериментов.

Безусловно, факт, что новая модель согласуется с данными экспериментов, сам по себе не является доказательством того, что в основе обоняния лежит квантовый механизм. Как видим, любая теория обоняния, принимающая во внимание форму молекул и рецепторов, а также колебания молекулярных связей, находит экспериментальное подтверждение. Еще ни один эксперимент не доказал напрямую возникновение эффекта квантового туннелирования при обработке запаха. Однако на сегодняшний день механизм улавливания белками колебаний молекулярных связей наиболее правдоподобно и непротиворечиво объясняется только наличием квантового туннелирования «неупруго» рассеянных электронов.

Мы близки к разгадке тайны обоняния, и все же для решения данной головоломки нам не хватает важнейшего фрагмента, а именно описания структуры обонятельных рецепторов. Наличие данного фрагмента облегчило бы поиски ответов на ключевые вопросы, связанные с обонянием. Скроены ли связывающие карманы рецепторов под каждую отдельно взятую молекулу запаха? Захватываются ли зеркальные изомеры одними и теми же рецепторами? Делится ли молекула рецептора на область-донор и область-акцептор и идеально ли подходят эти области для неупругого туннелирования электронов? Несмотря на многолетний труд ведущих специалистов в области структурной биологии, ни одному из них пока не удалось выделить молекулу обонятельного рецептора и проверить экспериментальным путем, функционирует ли она на основе квантово-механического механизма, как это было возможно в случае ферментов (см. главу 3) и белков фотосинтетических пигментов (см. главу 4). Проблема заключается в том, что в обычном состоянии обонятельный рецептор заключен в клеточную мембрану, как медуза, плавающая в морской воде. Изъятие белка рецептора из мембраны будет иметь примерно такие же последствия, как и изъятие медузы из воды, — он, как и медуза, не сохранит своей первоначальной формы. До сих пор структура белков обоняния никем не описана, поскольку они продолжают скрываться в клеточных мембранах.

Итак, при всей противоречивости единственной теорией, способной объяснить принцип различения мушками и человеком запахов обычных и дейтеризованных веществ, является теория, в основе которой лежит описание квантово-механического явления — неупругого туннелирования электронов. Эксперименты последних лет показали, что не только мушки и люди, но и некоторые другие виды насекомых и даже рыб способны различать запахи химических связей с обычным водородом и дейтерием. Если квантовое обоняние обнаружено у таких разных существ, возможно, оно распространено шире, чем мы думаем. Люди, плодовые мушки, рыбы-клоуны и представители многих других видов, вероятно, используют способность электронов исчезать из одной точки пространства и тут же материализоваться в другой для получения важных «посланий материальной действительности», помогающих найти пищу, партнера для продолжения рода или путь домой.