Обоняние человека: запах и спектроскопия
Обоняние человека – это сложная система, разработанная для того, чтобы улавливать тысячи химических веществ. Оно предупреждает нас об опасности, например, об испорченной пище — мы можем ощущать определённый компонент испорченного мяса, этилмеркаптан, при концентрации всего 1/400 000 000-й части миллиграмма на литр воздуха.1 Обоняние также помогает нам распознавать виды пищи и цветов. Обоняние фактически отвечает за большинство различных ‘вкусовых качеств’ пищи. Для большинства животных это чувство даже важнее, чем для людей — оно помогает, например, пчёлам находить нектар.
В носу сосредоточены миллионы рецепторов, при этом множество различных видов - от 500 до 1000. Они находятся в желтом обонятельном эпителии, который покрывает приблизительно 2.5 см2 внутренней поверхности носа с каждой его стороны. Разные виды рецепторов - это протеины, свёрнутые таким образом, чтобы имеющая особую форму молекула аромата смогла состыковаться. Каждый рецептор связан с G-белком. Когда молекула аромата присоединяется, высвобождается G-белок. Он побуждает вторичный мессенджер стимулировать нейрон для передачи сигнала. Он передаётся обонятельными нервными волокнами, которые входят в две специализированные структуры (обонятельные луковицы), представленные стволоподобными выступами и расположенные под передней частью мозга. Они сортируют сигналы и передают их в мозг для обработки.2
Недавно, Люк Турин, биофизик из медицинского колледжа Лондонского университета, предложил механизм, посредством которого электрон проходит от донорского участка к акцепторному участку на рецепторной молекуле, побуждая её при этом выделять G-белок. Для тоннельного перехода электрона требуется, чтобы начальные и окончательные точки имели одинаковую энергию, но Турин верит, что донорский участок имеет более высокий уровень энергии, чем рецептор. Разница в энергии точно такая, какая необходима, чтобы привести молекулу аромата в более высокое колебательное квантовое состояние. Следовательно, когда молекула аромата приземляется, она может поглотить правильное количество энергии электрона, позволяющее тоннельный переход через орбиты.3
Это означает, что обонятельные рецепторы человека на самом деле улавливают энергию колебательного квантового перехода в молекулах аромата, как впервые было предложено Д. M. Дисоном в 1937 году.4 Эта энергия уменьшается по мере увеличения массы атомов, и увеличивается с ростом прочности связи. Она также зависит от симметричности молекулы. Для двухатомной молекулы,5 основная энергия перехода составляет:
E = h/2π√(k/µ)
Где h - это постоянная Планка (энергия кванта); k - это силовая константа связывания; и m - это приведенная масса, которая имеет следующее соотношение к массам двух атомов:
μ = m1m2/(m1 + m2)
Иногда переход может быть вызван случайным электромагнитным излучением определённой частоты (ν). Эта частота имеет следующее отношение к энергии:
E = hν
Энергетика колебаний и соответствующее излучение, обычно измеряемое в волновых числах, которые обратно пропорциональны длине волны, относятся к энергии следующим образом:
| ~ | = E/hc |
| ν |
Пока эта энергия находится в инфракрасной области, инфракрасная абсорбционная спектроскопия - это обычный способ измерения колебательных энергий и силы связи (вместе с дополнительным методом рамановской спектроскопии)
Это означает, что определённые группы атомов обладают похожей энергией, и, следовательно, схожим колебательным спектром. Например, химические элементы с сероводородными связями склонны вибрировать примерно 2500 см-1 и это часто воспринимается как запах ‘чего-то испорченного’. К примеру, тухлые яйца вырабатывают химические вещества наподобие сероводорода (H2S), а этилмеркаптан, вырабатываемый испорченным мясом, представлен в виде C2H5SH.
Турин подтверждает свою теорию, указывая на то, что декаборан (B10H14) имеет запах, подобный компонентам S–H (сероводорода), с которыми у него нет ничего общего, кроме одинаковых колебательных энергий. Несмотря на меньшую атомную массу бора, по сравнению с серой, B–H связи намного слабее, чем S–H связи, и эти воздействия, случается, уравновешиваются.
Дальнейшая поддержка исходит от двух схожих соединений - ферроцена и никелоцена. Они имеют двухзарядный ион металла (железа и никеля, соответственно), который вставлен между двумя анионами циклопентадиенила (C5H5–). Основное колебательное отличие между ними заключается в том, что колебательный уровень металлического кольца связи ферроцена составляет 478 см-1, тогда как у никелоцена этот уровень равен 355 cм-1. Ферроцен обладает более резким запахом, а никелоцен имеет запах подобный запаху ароматических углеводородных колец. Турин предполагает, что ниже предела 400 см-1, колебательный сигнал заглушается ‘фоновым шумом’, и поэтому носом он не обнаруживается.
Поскольку массы различных изотопов неодинаковы, но сами изотопы обладают схожими химическими свойствами, они влияют на колебательную энергию. Это заметно в формуле приведенной массы, где наибольшее различие происходит в результате замещения водорода (Ar = 1) дейтерием (Ar = 2) — числитель удвоен. И в самом деле, дейтеризованный ацитофенон имеет более ярко выраженный фруктовый запах по сравнению с обычным ацитофеноном (C6H5COCH3). Он немного пахнет горьким миндалем, так же как и многие соединения, которые содержат цианид или нитрильную группу (C≡N)— и C–D и C ≡ N его колебательный уровень равен приблизительно 2200 см-1.
Теория Турина столкнулась с одной проблемой, связанной с различными запахами некоторых энантиомеров (оптические изомеры), поскольку они имеют идентичные колебательные спектры. Например, запах R-карвона похож на запах мяты, а S-карвона на запах тмина. Решение этой проблемы заключается в следующем: спектры идентичны только в ахиральной среде, как в растворе, так и в газовой фазе. Но обонятельные рецепторы - хиральные и располагают эти два энантиомера по-другому. Это означает, что различные колебательные группы лежат в туннельном направлении в каждом энантиомере. Ученый полагает, что тминный S-карвон располагается в одном направлении с карбонильной (C=O) группой, и поэтому ее возможно обнаружить; в мятном R-карвоне, она находится под прямым углом, и поэтому не обнаруживается. Турин подтвердил это, создав аромат тмина путем смешивания мятного карвона с бутаноном, в котором содержался карбонил (C2H5COCH3).
Если теория Турина верна, то инфракрасная спектроскопия и рамановская спектроскопия стали бы важными методами для парфюмерной промышленности! Турин также использует неупругую туннельную спектроскопию - 'неупругая’, потому, что перед туннельным переходом энергия теряется, как и в предложенном сенсорном механизме.
Точная химия обоняния ещё до конца не исследована. Но Турин полагает, что он нашел последовательность остатков аминокислоты, которые могли бы функционировать как донор электрона вместе с НАДФ. Он обнаружил также пять остатков, направленных к атому цинка, который мог быть акцепторным участком. Одним из диагностических признаков недостаточности цинка в организме является потеря обоняния, и цинк часто участвует в биологических реакциях электронной передачи.
Независимо от того, верна ли идея Турина, обоняние человека демонстрирует то, что Майкл Бихи называет неснижаемой сложностью, и, следовательно, является свидетельством дизайна.6 Это означает, что работы системы требуется много составных частей, и она не смогла бы функционировать при отсутствии какой-либо из них. Для размещения молекул аромата химически чувствительному механизму необходимы белки определённой формы. А для модели Турина необходимы также определенные энергетические уровни. И даже если бы чувствительные элементы полностью работали, химическая информация, собранная носом, была бы бесполезна без нервных соединений, которые передают эту информацию в мозг, где она обрабатывается.
Ссылки и примечания
- Сенсорное Восприятие: обоняние. Britannica CD, Version 97. Британская Энциклопедия, 1997. Вернуться к тексту.
- Хилл, С., 1998. Sniff’n’shake. New Scientist 157(2115):34–37. Вернуться к тексту.
- Турин, Л., 1996. Спектроскопический механизм действия основного обонятельного восприятия. Chemical Senses 21:773–791. [Эта ссылка была добавлена позднее: Сам Доктор Турин писал (письмо по электронной почте от 9 февраля, 2000): ‘Уважаемый Доктор Сарфати, хочу в этом письме выразить вам свою благодарность за ваше четкое и точное описание моей спектроскопической теории обоняния ….’ Однако он утверждал, что не совсем согласен с моим выводом относительно того, что именно Творец является автором дизайна. Он продолжал, ‘Я полностью согласен, если это правда, с тем, что моя теория - это ещё один пример замечательного дизайна живых организмов’, но вопрос того, кто был автором дизайна, для него оставался открытым. Вернуться к тексту.
- Селл, C., 1997. Об определённом аромате. Chemistry in Britain, 33(3):39–42. Вернуться к тексту.
- Для получения данных о более сложных молекулах, смотрите Уилсона, E.Б., Декиус, Д.C. и Кросс, П.C., 1955. Молекулярные колебания: Теория инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния, McGraw-Hill, Нью-Йорк. Вернуться к тексту.
- Бихи, M. Д., 1996. Чёрный Ящик Дарвина: Биохимическая Проблема Эволюции, The Free Press, Нью-Йорк. Вернуться к тексту.
Источник - Creation Ministries International, www.creationontheweb.org