Что такое запах с точки зрения физики и химии

Электромагнитная природа запахов или Волны запаха

Оригинал взят у kactaheda в Электромагнитная природа запахов или Волны запаха

Почти 2000 лет назад античный ученый, поэт и философ Тит Лукреций Кар полагал, что в носовой полости есть крошечные поры разного размера и формы. Каждое пахнущее вещество, рассуждал он, испускает крошечные «молекулы» присущей ему формы. Запах воспринимается, когда эти «молекулы» входят в поры обонятельной полости. Распознавание каждого запаха зависит от того, к каким порам эти молекулы подходят.

В 1756 году М.В. Ломоносов в своей работе «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее» выдвинул мысль о том, что окончания нервных клеток возбуждают колебания частиц материи. В этом произведении он прямо писал о коловратных (колебательных) движениях частиц эфира как о возбудителях органов чувств, в том числе зрения, вкуса и обоняния.

Понадобились два тысячелетия исканий со времени Лукреция и два века исканий и споров со времени Ломоносова, чтобы их гениальные догадки получили обоснованное подтверждение. Удалось научно установить, что у природы запаха, как и у природы света, двойственный характер: корпускулярный (зависящий от структуры душистого вещества) и волновой.

Развитие химии и физики дало возможность получить наиболее правильное представление о процессе ощущения запахов.

По современным данным, молекулы пахучих веществ поглощают и испускают волны длиной от 1 до 100 микрон. Человеческое же тело при нормальной температуре поглощает и испускает волны длиной от 4 до 200 микрон. Наиболее важны электромагнитные волны, имеющие длину от 8 до 14 микрон, что соответствует длине волн инфракрасной части спектра. Интересно, что поглощение действия душистых веществ достигается ультрафиолетовыми лучами и поглощением инфракрасных лучей. Ультрафиолетовые лучи убивают многие запахи и этим пользуются, когда хотят очистить воздух от ненужных ароматов.

Приведем любопытные примеры, подтверждающие волновую (физическую) «коловратную» природу запаха. Американские ученые доктора Мильс и Бек проделали следующий опыт. Б стенке небольшого ящика установили светофильтр, пропускающий только инфракрасные лучи. Внутрь положили немного меда. Ящик герметически закупорили и вынесли на пасеку. Через некоторое время светофильтр облепили пчелы. Почему? А потому, говорят экспериментаторы, что «радары» пчелиных органов обоняния уловили свойственное меду инфракрасное излучение. Другого объяснения быть не может, ибо ни одна молекула меда не проникла из герметически закрытого ящика наружу.

Другие опыты этими же учеными были проведены с тараканами, помещенными в герметически закрытую клетку, в которой имелось окно из кристалла бромистого калия, пропускающего инфракрасные лучи. Экспериментаторы отметили колебание усиков, как при реагировании на запах. При продувании воздуха через трубку позади кристалла у 15% тараканов наблюдалось колебание усиков. Когда гвоздичное масло пропускали в помещение, совершенно изолированное от насекомых, у 24 % тараканов усики были активными. Опыт в помещении, где пахучее вещество приходило в соприкосновение с тараканами, показал, что 26% из них реагировали на запах. Ученые объясняют такое явление тем, что эти насекомые имеют обонятельный аппарат снаружи в виде длинных волнообразных антенн (усиков), которые служат не столько для обоняния, сколько для «чувствования».

Когда насекомые ощущают запах, происходит колебание антенн, как будто они были возбуждены. Это, по мнению авторов, дает возможность физиологам отметить и даже измерить степень восприятия насекомыми разных запахов. Интересно, что кошка, у которой частично или полностью удалены усы, частично или полностью теряет обоняние.

Энтомолог И.А. Фабри, изучавший в течение шести лет это явление у одного из видов ночных бабочек, проделал такой опыт. Летом с наступлением вечера на балкон уединенной лесной дачи он выносил самку бабочки (в проволочном садке). Не проходило и 30 минут, как к ней отовсюду начинали слетаться самцы. За три вечера их было поймано 64 экземпляра. Сделав пометки красками на спинках самцов, их уносили (в коробках) за 6-8 километров от дачи и там выпускали на волю. Однако через 40-45 минут самцов снова обнаруживали около самки. Опыты повторялись неоднократно, но результат был один. Подозревая, что органами связи у насекомых являются их усики, ученый обрезал насекомым самцам их естественные «антенны» и убедился, что без них они не смогли воспринимать призывы самки и больше не прилетали к ней. Примечательно также явление, которое наблюдалось во время войны: вокруг поднятых над окопами тонких прутиков антенн полевых раций очень часто скапливалось значительное количество насекомых, чаще всего майских жуков, привлеченных издалека антенной как светом.

Таких примеров можно привести множество. Все указанное выше и изучение спектра запахов дало профессору Фролову полное основание писать, что теперь как будто удается не только выявить физическую природу запахов, но и приблизительно указать их расположение в инфракрасной и ультрафиолетовой части шкалы электромагнитных колебаний.

Источник

Тайна запаха

Этой тайне столько же лет, сколько и тем, кто пытается ее разгадать, — она родилась вместе с человеком. Обоняние — единственное из всех пяти наших чувств, природа которого до сих пор не до конца раскрыта учеными. Откуда берется запах? Чем он вызван? Почему вещества пахнут по-разному? Как мы воспринимаем эту огромную гамму запахов? Иными словами, что такое запах? Подобные вопросы давно волновали людей, но ответа на них не было.

Эта проблема, как многие другие, имеет две стороны: теоретическую и практическую. И вышло так, что ученые-практики значительно обогнали ученых-теоретиков. До сегодняшнего дня еще не создана сколько-нибудь законченная, признанная теория обоняния, но имеется очень много серьезных практических работ по созданию различных душистых веществ.

Описаний работ первых парфюмеров вы не найдете в научных журналах: они дошли до нас в нетронутых тысячелетиями творениях древних мастеров. При раскопках гробницы египетского фараона Тутанхамона были найдены бальзам и благовония, которые до наших дней сохранили свой изумительный аромат.

Раньше искусством запахов владели немногие, сейчас это целая отрасль промышленности — парфюмерная.

Многие века человек пользовался для создания различных душистых веществ тем, что дала ему природа: розовым маслом, маслом сандалового дерева, мускусом. Развитие парфюмерной промышленности поставило перед химиками-синтетиками задачу создать искусственно природные запахи.

Самый простой, но не самый короткий путь состоял в копировании природы. Простой — потому что в данном случае работа сводилась к выяснению структуры молекул природного вещества и механическому воспроизведению этой структуры, не короткий — потому что молекулы натуральных веществ имели часто очень сложное строение. Однако этот путь все-таки необходимо было пройти: нельзя стать зрелым, минуя детство. Эти исследования дали определенную пользу: были синтезированы первые искусственные душистые вещества. Но следующим, качественно более высоким этапом должно было стать не простое подражание природе, а разумное, рациональное воспроизведение запахов.

ТЕОРИЯ НАЧИНАЕТСЯ С ВОПРОСОВ

Для этого нужно было сначала выяснить одну принципиальную вещь: вся ли молекула «пахнет» или только ее какая-то часть? Сначала ученые решили, что ответственными за запах в молекуле являются функциональные группы, так называемые осмофоры, такие, как, например, алкогольная, фенольная или нитрогруппы. Однако лишь эти группы, еще не могут служить признаком запаха, так как известны вещества, имеющие осмофорные группы, но никаким запахом не обладающие. Тогда было высказано предположение, что запах зависит и от структуры молекулы, в которую входят седофоры, — эти структуры были названы осмогенами и от характера связи между ним и(типичный осмоген ядро бензола, который является родоначальником многих душистых веществ). Впоследствии различные ученые эмпирически установили еще много таких «мостиков»— около сотни, связывающих запах с химическим строением.

Но, несмотря на это, химической теории запаха установить не удавалось. Слишком много было нагромождено для химического объяснения запаха. А истина большей частью проста. Кроме того, значительным препятствием к признанию химической теории служил и тот факт, что химики, создавая искусственно природные душистые вещества, получили соединения, обладающие похожим запахом, но имеющие различное строение; и наоборот — вещества с близким строением имели, совершенно различные запахи.

Очевидно, разгадку следовало искать ее в химическом строении, а в чем-то другом.

Первым, кто высказал рациональную идею об истинной природе запаха, идею, к которой сегодня пришло большинство ученый был гениальный М. В. Ломоносов. Еще в 1765 году он писал о колебательных (коловратных) движениях частиц эфира как о возбудителе органов чувств, в том числе зрения и обоняния. Последующие сто пятьдесят лет ученые занимались в основном тем, что уходили от этой идеи в противоположную — химическую сторону. И только в последнее время они стали все больше склоняться к убеждению, что запах связан с электромагнитными колебаниями молекул.

Но только ли разочарования привели ученых к мысли о физической природе запахов? Не похоже ли это на доказательство способом от противного: раз не химия — значит, физика?

Нет, не только. К этим выводам ученые пришли, отталкиваясь и от некоторых позитивных фактов. К ним относятся в первую очередь явление комбинационного рассеяния света молекулами пахучих веществ и. их особое отношение к ультрафиолетовым и инфракрасным лучам. Останавливаться на этом подробно здесь, не имеет смысла, заметим только, что подобные данные помогли направить поиски в нужную сторону.

Но и на этом, казалось бы, верном пути ученых ожидало немало подводных рифов. И если некоторые из них преодолевались научной мыслью относительно легко, то были и такие, которые не удавалось обойти сразу. Одним из таких рифов, на который на долгое время, как на мель, сел корабль физической теории обоняния, был вопрос о механизме возбуждения нервного импульса. В самом деле, каким образом слабые колебания молекул пахучих веществ улавливаются нервными окончаниями обонятельных рецепторов?

Химическая теория запаха давала этому объяснение, пусть не совеем очевидное, но все же давала. Согласно ей, возбудителем нервных элементов являются продукты химического взаимодействия пахучих веществ с клеточными белками. А что могла предложить в ответ физическая теория? Сначала ничего убедительного. Но позже, когда в результате работ различных ученых появились новые биофизические взгляды и квантохимические представления, волны этого мощного прилива современных идей сняли корабль физической теории с мели.

Итак, понадобилась помощь смежных наук. Это закономерно. Процессы, протекающие в нашем организме, взаимосвязаны, они представляют собой звенья одной и той же цепи. И естественно, держа в своих руках два крупных звена, ученым легче подобрать к ним среднее, недостающее. Это похоже на кроссворд отдельные буквы искомого слова, полученные при отгадывании смежных слов, помогают проверить ответ.

Так произошло и в теории обоняния. Условно ее можно разделить на три части: первая — это вопрос о том, чем «выражается» запах, вторая — как он передается обонятельным рецепторам и, наконец, третья— как это «сообщение» доходит до обонятельных центров головного- мозга.

Ответы на первый и третий вопросы были получены раньше, чем на второй; возможно, без них второй ответ вообще бы не родился. Располагая двумя звеньями, ученые могли проверить правильность недостающего, конец одного служил началом другому. И обратно, если звено хорошо укладывалось в общую цепь, это подтверждало и правильность выбора, крайних звеньев молекулы, а не отдельных ее групп.

P. S. О чем еще думают британские ученные: а еще с запахом тесно связаны некоторые профессии, например, профессия парфюмера в которой нюх это практически все. К слову в последнее время появился даже дистанционный колледж, где кроме всего прочего обучают тонкостям и этой интересной профессии.

Источник

Стереохимическая природа запаха

Роза — это роза, а скунс — это скунс, и нос легко определит разницу между ними. Но описать или объяснить эту разницу не так легко. Мы до удивления мало знаем о чувстве обоняния, хотя оно играет важную роль в нашей повседневной жизни. Описать какой-нибудь запах можно, только сравнив его с другим, знакомым нам запахом. У нас нет меры, которой можно было бы измерить силу запаха так, как мы измеряем силу звука (в децибеллах) или света (в люменах). Мы не располагаем удовлетворительной общей теорией, которая объяснила бы, как нос и мозг обнаруживают, сравнивают и опознают запахи. Более 30 теорий было выдвинуто представителями различных наук. Однако ни одна из них не выдержала экспериментальной проверки, призванной подтвердить право этих теорий на существование.

Химику кажется баснословной, почти невероятной способность органов обоняния сортировать и характеризовать различные пахнущие вещества. Сложные химические соединения, на анализ которых химик в лаборатории затратил бы не один месяц, нос опознает мгновенно, даже если они находятся в таких малых количествах (до одной десятимиллионной доли грамма), что самые чувствительные современные приборы не могут их обнаружить.

Две тысячи лет назад поэт Лукреций предложил простое объяснение чувству обоняния. Он считал, что в «небе» носа есть маленькие поры, различные по размерам и по форме. Всякое пахнущее вещество испускает крошечные «молекулы» присущей ему формы. Запах, по Лукрецию, воспринимается, когда эти молекулы входят в поры «неба». И, по-видимому, распознавание каждого запаха зависит от того, к каким порам эти молекулы подходят.

Ныне складывается мнение, что догадка Лукреция была в своей основе верной. За последние несколько лет появились новые данные, которые довольно убедительно показывают, что геометрия молекул действительно служит главным опознавательным признаком запаха. В этой статье будет рассмотрена стереохимическая теория запаха и эксперименты, которые подтвердили ее.

Нос всегда находится в состоянии готовности к восприятию запахов. Поток воздуха, всасываемый через ноздри, проходит вдоль изогнутых по спирали костных перегородок в верхней части носа; здесь воздух обогревается и фильтруется. При обнаружении запаха мы увеличиваем приток воздуха в верхнюю часть носа, к двум углублениям, в которых располагаются органы обоняния. Они состоят из двух участков желтоватой ткани, площадь каждого из них равна примерно шести квадратным сантиметрам. Эта ткань пронизала нервными волокнами двух типов. Их окончания воспринимают и обнаруживают молекулы пахучих веществ. В основном это волокна обонятельного нерва; каждое из таких волокон оканчивается обонятельной клеткой, вооруженной пучком волосков, выполняющих обязанности рецепторов.

Другой тип волокон — это длинные тонкие окончания тройничного нерва, которые чувствительны к некоторым определенным видам молекул. Молекулы пахучих веществ, раздражая окончания обонятельного нерва, посылают сигналы в обонятельную луковицу, а оттуда — в высшие мозговые центры, где сигналы суммируются и перерабатываются в характеристики запаха.

Из самой сути этой системы со всей очевидностью следует, что пахучее вещество должно обладать рядом определенных свойств.

Во-первых, оно должно быть летучим. Луковый суп, например, очень сильно пахнет потому, что с его поверхности непрерывно поднимается пар, который «ударяет» в нос. А такое вещество, как железо, при комнатной температуре совершенно лишено запаха, потому что атомы с его поверхности не испаряются.

Во-вторых, пахучее вещество должно обладать хотя бы небольшой растворимостью в воде. Если оно абсолютно нерастворимо, то оно не проникнет к нервным окончаниям сквозь пленку воды, покрывающую их поверхность.

Еще одно свойство, общее для всех пахучих веществ,— их растворимость в липидах (жировых веществах). Это свойство позволяет пахучим веществам проникать в нервные окончания сквозь жировой слой, образующий часть поверхностной мембраны – любой клетки.

Если не говорить об этих основных свойствах, то характеристики пахучих материалов чрезвычайно неопределенны и противоречивы. На протяжении многих лет химики путем подбора сумели синтезировать множество пахучих химических соединений. Но вместо того чтобы прояснить, какими же свойствами определяется запах, эти вещества внесли еще больше путаницы в проблему. Все же удалось установить несколько общих принципов. Например, оказалось, что добавление боковой ветви к прямой цепи углеродных атомов в молекуле душистого вещества заметно усиливает аромат. Сильный запах, по-видимому, связан также с цепями из 4—8 атомов углерода, которые входят в молекулы ряда спиртов и альдегидов.

Однако чем больше химики занимались анализом химического строения пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и строения эти вещества отличались удивительной противоречивостью.

Как ни странно, но в самой этой противоречивости постепенно начала угадываться некая система. Так, например, два оптических изомера — молекулы одинаковые во всех отношениях, за исключением того, что они являются зеркальным отображением одна другой,— могут иметь различные запахи. Другой пример. В соединении, молекулы которого содержат бензойное кольцо с шестью атомами углерода, изменение положения группы атомов, связанной с кольцом, может привести к резкому изменению запаха соединения. В то же время в соединении, молекулы которого содержат большое кольцо, насчитывающее от 14 до 19 звеньев, атомы можно очень существенно перегруппировать, и запах при этом не изменится сколько-нибудь заметно.

Все эти факты привели химиков к мысли, что основным фактором, определяющим запах вещества, возможно, является геометрическая форма молекулы в целом, а не детали ее состава или строения.

В 1949 году шотландский ученый Р. Монкриф, исходя из этих идей, выдвинул гипотезу, весьма напоминавшую догадку Лукреция двухтысячелетней давности. Монкриф предположил, что обонятельная система состоит из рецепторных клеток нескольких различных типов, каждый из которых соответствует отдельному «первичному» запаху, и что молекулы пахучего вещества вызывают ощущение запаха, плотно входя в рецепторные участки этих клеток. Его гипотеза, по существу, представляет собой приложение принципа «замка и ключа», который оказался столь плодотворным в объяснении взаимодействия ферментов с их «подшефными» молекулами, антител с антигенами и дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК с транспортной РНК в процессе синтеза белка.

Для того, чтобы гипотеза Монкрифа стала практическим инструментом исследования проблемы обоняния, нужно было найти ответы на два вопроса. Что такое «первичный» запах? И какое значение имеет форма рецепторного участка для каждого из первичных запахов?

Чтобы ответить на эти вопросы, один из нас (Д. Эмур, работавший тогда в Оксфордском университете) провел обширное изучение литературы по органической химии, отыскивая ключ в характеристиках пахучих веществ. Эти исследования привели его к выводу, что существуют семь первичных запахов. Вот они: камфароподобный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный, острый и гнилостный.

Из этих семи первичных запахов можно получить любой из известных запахов, смешивая их в определенных пропорциях. В этом смысле первичные запахи сходны с тремя основными категориями цвета (красный, зеленый и синий) и четырьмя основными категориями вкусовых ощущений (сладкое, соленое, кислое и горькое).

Семи первичным запахам должны соответствовать семь различных видов обонятельных рецепторов в носу. Можно представить себе рецепторные участки как ультрамикроскопические щели или углубления определенных форм и размеров в мембране нервного волокна. По-видимому, молекула соответствующей конфигурации входит в такое углубление так же, как штепсельная пилка в розетку. Некоторые молекулы, вероятно, могут входить и в две разные розетки. Одной стороной — в более широкий рецептор, а другой — в узкий. Вещество, молекулы которого входят в рецепторные участки обоих типов, может восприниматься как обладающее сложным запахом.

Следующая проблема заключалась в том, чтобы выяснить, какие формы имеют эти семь рецепторных участков. Благодаря методам современной стереохимии, которая исследует строение молекул с помощью дифракции рентгеновских лучей, инфракрасной спектроскопии, электронно-лучевых зондов и других средств, можно воссоздать пространственную модель молекулы любого химического соединения, для которого известна структурная формула.

После того как были определены очертания молекул камфароподобных веществ, стало ясно, что все они имеют примерно одну и ту же, приближенно говоря, сферическую форму. Мало того, когда от моделей перешли к реальным размерам молекул, оказалось, что все они имеют примерно один и тот же диаметр — около 7 ангстрем (1 ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра). Отсюда следовало, что рецепторный участок для камфароподобных молекул должен иметь форму полусферической чаши диаметром около 7 ангстрем. Многие из камфароподобных молекул представляют собой сферы, которые точно входят в такую чашу, другие слегка изгибаются и легко подгоняют свою форму к форме чаши.

Когда были построены другие модели, удалось найти формы и размеры молекул веществ, обладающих остальными первичными запахами. Мускусный запах присущ молекулам, имеющим форму диска с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветочный аромат вызывают молекулы, имеющие форму диска, к которому присоединен гибкий «хвост» — нечто вроде детского воздушного змея. «Прохладный» мятный запах дают клинообразные молекулы, имеющие электрически поляризованную группу атомов, способную образовывать водородную связь около острия клина. Эфирный запах свойствен молекулам, имеющим форму палочек. И в каждом случае рецепторный участок в нервном окончании, по-видимому, имеет форму и размер, соответствующие форме и размеру молекул.

Авторы: Джон Эмур, Джеймс Джонстон, Мартин Бубер, перевод с английского.

Источник

Новости химической науки > Квантово-химическая гипотеза происхождения запаха

Ученые из Лондонского Центра Нанотехнологий недавно проанализировали весьма интригующую квантово-химическую гипотезу происхождения запаха, сформулированную еще десятилетие назад и обнаружили, что в этой идее гораздо больше здравого смысла, чем казалось ранее.

Все, что современная наука имеет по поводу возникновения запахов похоже на обрывки головоломки, которые не хотят укладываться в единую картинку. Известно, что «пахнущие» молекулы, находящиеся в воздухе активируют определенные типы рецепторов в нашем носу, рецепторы же, в свою очередь, передают сигналы на кору головного мозга, анализирующую тип запаха. Вместе с тем известно, что хотя форма и размеры молекул отвечают за распознавание их нервными рецепторами, запахи некоторых веществ, молекулы которых имеют практически одинаковую форму, не имеют ничего общего между собой.

Такая загадка обуславливается лишь одним – отсутствием представлений о том, что происходит до того и во время того, как молекула запаха взаимодействует с рецепторами в носу. Возможно, что лучшее понимание процессов, протекающих на атомно-молекулярном уровне, сможет объяснить различную реакцию рецепторов на молекулы одинаковой (или различной) формы.

Физики из Лондона Дженнифер Брукс (Jennifer Brookes), Филио Хартусиу (Filio Hartoutsiou), Эндрю Хорсфилд (Andrew Horsfield) и Маршалл Стоунхэм (Marshall Stoneham) рассмотрели физическую возможность реализации механизма передачи запаха, предложенного в 1996 году Лукой Турином (Luca Turin). Суть предложенной гипотезы заключается в том, что электроны обонятельных рецепторов могут туннелировать под действием частоты собственных колебаний молекулы – источника запаха. Исследования английских ученых показали, что общая канва предложенной десятилетие назад модели не противоречит ни физическим законам, ни тому, что мы знаем о природе запаха.

Квантово-механическое туннелирование, процесс, зачастую применяемый в технологии, происходит при преодолении частицей энергетического барьера большего, чем частица в состоянии преодолеть в соответствии с принципами классической физики. Туннельные переходы возможны для частиц с ярко проявляющимся корпускулярно-волновым дуализмом, каковыми, например, являются электроны. Если фононы (кванты упругих колебаний) «пахнущих» молекул промотируют туннельный переход электронов обонятельных рецепторов с уровня на уровень, нервные окончания посылают сигналы на кору головного мозга. Различная частота колебаний одорантов улавливается различными рецепторами, благодаря этому различные молекулы – переносчики запаха пахнут по разному.

Процесс образования запаха за счет туннеллирования электронов: (a) электрон в обонятельном рецепторе носа переходит к донорному компонента рецептора; (b) и (c) собственные колебания молекулы-одоранта позволяют электрону туннелировать в другое энергетическое состояние; (d) электрон перемещается к акцептору, подавая сигнал на кору головного мозга. (по материалам Phys. Rev. Lett.)

Основная химическая модель, применявшаяся для объяснения природы запахов, соответствовала принципу «ключ-замок» и говорила о том, что молекулы различной формы подходят под рецепторы строго определенной формы. Новая гипотеза, предложенная лондонскими физиками, описывается ими как модель «кредитной карты». Как и магнитная карта, молекула одоранта распознается рецепторами, которые считывают ее колебательный спектр, попутно определяя ее форму.

Как показывают расчеты группы из Лондона, представления о немеханическом активировании оказываются возможными с точки зрения физики: рассчитанная скорость переноса заряда согласуется с наблюдаемой временной шкалой. Неупругий сигнал электрона может быть расшифрован, именно он представляет собой пропущенное звено между колебательным спектром молекуле и ее запахом. Несмотря не то ученым еще предстоит дальнейшее исследование детальных свойств обонятельных рецепторов, модель обоняния «кредитной карты» может представлять собой новую парадигму изучения селективности человеческого обоняния.

Источник: Phys. Rev. Lett., 2007, 98, 038101

Комментарии к статье:

Вы читаете текст статьи «Квантово-химическая гипотеза происхождения запаха»

Источник