Бездна обоняния

В изучении обоняния ученые делают лишь первые шаги. Но даже на фрагментарном знании этой самой древней и изощренной рецепторной системы можно делать новые продукты и зарабатывать деньги

Считается, что 90% информации человек получает посредством зрения и лишь 10% через четыре другие сенсорные системы - слух, тактильные ощущения, вкус, обоняние. Обонятельную систему изучали не очень активно, может, и потому, что у человека она вроде бы не играет жизненно важной роли. Другая причина - ее невероятная сложность. При общей схожести с другими сенсорными системами в обонятельной вскрывалась масса собственных нюансов. Ученых обескураживал даже тот факт, что им не удавалось обнаружить обонятельные рецепторы (у зрительной системы их несколько, и они известны). Лишь недавно Ричарду Акселю и Линде Бак с коллегами удалось наконец найти эти рецепторы, за что им и была присуждена последняя Нобелевская премия по физиологии и медицине.

Азбука запахов

Аксель и Бак нашли рецепторы через кодирующие их гены. При этом ученые поставили себе три условия: гены должны кодировать белки-рецепторы определенного типа (наподобие известного зрительного белка родопсина); эти белки должны чем-то отличаться от тех же зрительных собратьев; гены должны работать в слизистой носа. Такие гены были обнаружены в 1991 году. Их, к удивлению ученых, было очень много - больше тысячи, что говорило о чрезвычайно важной роли обоняния для живых существ. Впрочем, если у некоторых видов животных большая часть генов была работающей, то у человека, как выяснилось, почти в 60% генов, кодирующих обонятельные белки, содержались последовательности, которые блокировали их работу. Израильские и германские ученые, сравнивавшие последовательности 50 рецепторных генов у людей и приматов, обнаружили, что у человека неработающими оказались 54% генов, а у разных приматов -. от 28 до 36%. А по сравнению с мышью человек "потерял" две трети рецепторов обоняния. Вероятно, мутации генов стали накапливаться с момента, когда человек перестал нуждаться для выживания в остром нюхе.

"Результаты исследований генов, кодирующих обонятельные белки-рецепторы, - это начало пути в изучении обонятельной системы. По большому счету, мы знаем только, что есть на входе - молекулы пахучих веществ, связывающиеся с рецепторами, и что на выходе - эмоции, действия, выброс гормонов. А что происходит внутри, до конца непонятно, - рассказывает заместитель заведующего кафедрой физиологии человека и животных биофака МГУ профессор Андрей Каменский. - Энцефалограмма может показать, какие участки мозга возбуждаются на запах. Общая схема известна, но точно понять, что происходит на каждом этапе, пока невозможно".

Общую схему попытался объяснить известный специалист в области обоняния, ведущий сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцева РАН Александр Минор. В клетках обонятельного эпителия носа есть специальные рецепторы, с которыми связываются пахучие молекулы - стимулы. Когда стимул связывается с белком-рецептором, к последнему присоединяется еще и так называемый G-белок. Эти взаимодействия запускают целую серию биохимических реакций, которая приводит в действие специальный молекулярный механизм, организующий электрический сигнал. Сигнал идет по аксону обонятельной клетки в обонятельную луковицу. Аксоны клеток одного типа сходятся в одном клубочке, всего же их в луковице около двух тысяч.

Казалось бы, на этом участке все понятно, если говорить об одной какой-то молекуле. Но, как правило, запах состоит из нескольких компонентов. А самих запахов, воспринимаемых человеком, может быть более десяти тысяч. Как же они принимаются рецепторами и передаются в мозг? Ученые предположили, что механизм обоняния использует комбинаторный принцип. Один рецептор может узнавать много стимулов, один стимул может узнаваться разными рецепторами. Разнообразные стимулы распознаются различными комбинациями рецепторов. Происходит это аналогично тому, как из алфавита складывается множество слов, из семи нот -. множество мелодий, всего из четырех нуклеотидов -. множество комбинаторных последовательностей генов.

Если мы представим себе условно запах розы как смесь четырех компонентов по числу букв, то в одном клубочке луковицы будет интенсивнее сигнал от компонента "Р", в другом - "О" и так далее, другие сигналы будут слабее. Мозг зарегистрирует это "слово" или этот "аккорд", как запах розы, если он, конечно, ему известен. Если в памяти такого запаха нет, то человек в большинстве случаев будет воспринимать его просто как приятный.

Но с точностью описать этот комбинаторный механизм пока никто не берется. "В нашем мозге такая прорва связей, что проследить все взаимодействия пока не представляется возможным, - говорит Андрей Каменский. - У одного только крохотного нейрона как минимум десять тысяч связей, а может быть, и сто. Мы не можем сказать, что такой-то сигнал прошел вот таким-то конкретным путем. Мы можем только зарегистрировать, что он пришел в некий отдел мозга". Известно, что связи могут перекидываться из одного участка мозга в другой. Каменский приводит классический пример с ЛСД. Синтезировавший это вещество Альберт Хофман, надышавшись ЛСД, начал видеть звуки и слышать картинки, у него сигналы приходили не в свою зону. У слепых от рождения связи формируются не так, как у зрячих, природа пытается как бы компенсировать недостатки. "Мы хватаем рецепторами молекулы запаха, мы видим кванты, но в мозг-то идут уже электрические импульсы. Важно то, куда они придут, - говорит Каменский. - Слепому кроту зрение нужно как козе баян. Он то, что нюхает, видит как бы корой мозга". Человеку не нужно такое острое обоняние, как у крысы или крота. Людей с повышенной чувствительностью, даже если они могут заниматься престижной и редкой работой, скажем, "нюхачей" в парфюмерном бизнесе, можно только пожалеть. "Представьте, как такой человек реагирует на массу окружающих нас запахов. Это все равно, что перед нашими глазами все время бы махали разноцветными тряпками, - продолжает Каменский. - Так что обоняние у нас имеет необходимый для жизни уровень, чтобы, с одной стороны, мы все время не принюхивались, где чей след, а с другой - уксус вместо водки не выпили. Другое дело, если процесс деградации человеческого обоняния будет продолжаться. Без эмоций, связанных с приятными запахами, наверное, будет скучнее".

Любовь за сто долларов

Через обонятельный путь можно воздействовать на мозг напрямую. По аксону, который обычно проводит электрические сигналы, могут продвигаться и молекулы веществ

Создав такой сложный механизм для восприятия запахов, природа подкинула исследователям еще одну загадку в виде дополнительной системы обоняния. Так называемый вомероназальный орган (ВНО), или орган Якобсона, был обнаружен одним голландским врачом еще в начале XVIII века, когда тот оперировал нос раненого солдата. Правда, тогда этому открытию не было придано большого значения и к изучению ВНО вернулись только в середине 80-х годов прошлого столетия.

У человека в каждой ноздре имеется крохотная ямка диаметром примерно 1 мм, от которой идет проход в небольшую коническую камеру. Некоторые исследователи утверждают, что отростки нейронов ведут от ВНО в лимбическую систему, отвечающую за наши эмоции. Это позволяет предположить, что человеческий ВНО работает примерно так же, как у некоторых млекопитающих. Правда, у них вторая обонятельная система развита лучше, чем у человека. В ней, в частности, присутствуют дополнительные обонятельные луковицы, которых у нас нет. Ученые не раз высказывали предположения, что вомероназальный орган может быть избирательно настроен на феромоны (биологически активные вещества, выделяемые живыми организмами и влияющие на поведение особей того же вида) или как минимум на половой феромон. Впрочем, в результате многочисленных исследований выяснилось, что ВНО есть не у всех животных, а где есть, необязательно выполняет функцию восприятия исключительно феромонов.

Но зачем нужны две обонятельные системы, если они действуют, похоже, по одинаковому принципу? Ведь нет же другой зрительной или слуховой системы. Можно лишь предположить, что в самом начале зарождения жизни у первых организмов "обоняние" играло главную роль для выживания и дальнейшего развития. Поэтому природа создала дублирующую систему. "А может быть, даже и не одну, - предполагает Александр Минор. - Потом они видоизменялись в процессе развития видов, особенно это заметно на видах, которые покидали водную среду и потом опять возвращались. К примеру, у некоторых черепах вомероназальный орган стал выполнять функцию обоняния в воде, а обычная обонятельная система - в воздухе. Но вот у крыс, похоже, вомероназальный орган как раз воспринимает именно феромоны". Минор привел в пример эксперимент, иллюстрирующий это предположение. В опыте чета крыс ждала пополнения семейства. Но когда самца забрали и к самке подсадили другого, процесс беременности у нее блокировался. Дама чуяла, что первый муж исчез, появился новый, и спешила избавиться от плода и подготовиться к зачатию нового крысеныша. Происходило это потому, что запах нового самца шел через ВНО крысы в мозг и действовал на соответствующие гормоны.

Некоторые ученые выдвинули смелую гипотезу, что и у человека ВНО может играть роль органа, ответственного за восприятие феромонов. Этим вполне можно объяснить роковую любовь "с первого нюха" и даже агрессивность сексуальных маньяков, порой не ведающих, что ими движет. Александр Минор настроен более скептически: "О вомероназальном органе человека известно пока чрезвычайно мало. Фактически только то, что он развивается у плода в утробе матери и достигает своего пика в четыре-пять месяцев, а потом начинает уменьшаться. У новорожденного ВНО значительно меньше, чем у плода. Раньше считалось, что у взрослых он вовсе рассасывается, но потом его обнаружили и у них. Есть ли у человеческого ВНО своя специализация, в частности феромоновая, доподлинно неизвестно, в серьезной научной литературе об этом написано мало, спекуляций же на эту тему много".

В конце 80-х об расшифровке и искусственном синтезе мужских и женских феромонов объявила американский биолог Уиннифред Катлер. Сначала под ее руководством экстракты получали из подмышечного пота, потом, исследовав их, научились синтезировать. И в начале 90-х на рынке уже появились духи с женскими феромонами "10:13" (месяц и день рождения Катлер), и с мужскими - "10Х". Катлер возглавила институт красоты "Афина" и активно занялась коммерциализацией своих научных достижений: духи с феромонами от "Афины" стоят от 100 долларов. По поводу ее заявлений в прессе было много шума, в том числе и обвинений в шарлатанстве, поскольку Катлер формулы человеческих феромонов так и не раскрыла.

Однако по стопам г-жи Катлер пошли и другие производители, заявляя, что в их духах также содержатся феромоны человека. В московских секс-шопах активно предлагается парфюмерия, стоимостью 300-400 рублей за флакон. Что уж там в них намешали, известно только авторам. По словам Александра Минора, в лучшем случае туда добавляют андростенон, известный феромон хряка, поскольку он изучен и его научились синтезировать. К тому же считается, что физиология свиней схожа с человеческой. Хотя на человека андростенон действует не совсем так, как описывается в аннотациях парфюма. Дело в том, что на свиней феромон хряка действует парализующе, свиньи как бы застывают, а хряк начинает свои обхаживания. Людей феромон хряка не парализует, но действует, как выяснилось в опытах, успокаивающе, а иногда придает им уверенность: в ходе одних испытаний женщинам под воздействием андростенона удавалось избавиться от страха перед стоматологом.

К мозгу ближе через нос

Мировая индустрия уже вовсю использует отрывочные эмпирические факты, полученные в ходе исследования самой древней и сложной рецепторной системы, для производства новых продуктов - от парфюмерии до средств от насекомых. Недавно даже появились специальные ароматические масла для супермаркетов: будучи распыленными в торговом зале, они вызывают у покупателя чувство эйфории и делают доверчивыми. Но пока рынком востребована лишь малая толика того, что уже удалось установить ученым.

Совсем уж заманчивые перспективы открываются перед медициной. Помимо всех других нейронов мозга, которые, как принято считать, не восстанавливаются, обонятельные нейроны живут всего месяц и постоянно обновляются. Это навело ученых на идею выращивать из обонятельных нейронов другие нервные клетки. Такие исследования сейчас ведутся, и есть неплохие результаты. В частности, известны эксперименты использования такой методики в практике восстановления нейронов при травмах головного и спинного мозга.

Есть основания предполагать, что, используя обонятельный путь, можно напрямую воздействовать на участки мозга различными веществами. Оказывается, по аксону, который обычно проводит электрические сигналы, могут продвигаться и молекулы. В естественном развитии клеток они двигаются по нему в качестве своеобразного строительного или поддерживающего жизнедеятельность материала. Этот механизм назвали аксональным транспортом. "То, что молекула может попадать в обонятельную луковицу, было известно давно, но то, что молекула может идти дальше, преодолевая синапсы (своеобразные узлы, где передающие сигнал аксоны сходятся с принимающими отростками других нейронов), стало известно сравнительно недавно, - рассказывает Александр Минор. - Обонятельный путь в мозг очень удобен. Ведь если вводить препарат через желудок, до мозга мало что дойдет, через кровь - тоже есть препятствие в виде так называемого гематоэнцефалического барьера, который не пускает чужеродные молекулы в мозг". Этот метод попыталась использовать группа российских ученых при создании препарата семакс, способствующего укреплению памяти, внимания, работоспособности в напряженных условиях.

Есть такой гормон, который при стрессе выбрасывается в кровь из гипофиза. Он действует на несколько видов рецепторов, в том числе на те, что стимулируют концентрацию внимания и память. Причем на память и внимание действует не весь гормон, а его кусочек. Разработчики вырезали кусочек гормона и приделали к нему защитную группировку, чтобы он не разрушался. Таким образом получился препарат семакс не с гормональным, а с нейротропным эффектом. Сначала препарат испытывали на крысах. Вводили его стандартными методами - внутрибрюшинно и внутривенно. "Но нам говорили: братцы, кто ж будет в шахте или в горах в какой-либо чрезвычайно ситуации искать шприц, искать вену, вводить препарат. Нужно что-то более удобное и в то же время эффективное. И тогда мы решили использовать путь через нос", - вспоминает участвовавший в разработке Андрей Каменский. В процессе экспериментов выяснилось, что крысы, которым капали препарат в нос, обучались в два раза быстрее, у них значительно улучшалась память. Проверяли и с помощью радиоактивных меток, в какие участки мозга попало вещество. После клинических испытаний на людях препарат был зарегистрирован и разрешен к продаже. Сейчас ученые продолжают работу еще с несколькими веществами, которые можно доставлять таким путем в мозг. Их цель - воздействие на память, внимание, боль, стресс. И возможно - на пока неизлечимые болезни головного мозга.