Текст книги "Тайная сила обоняния. Доверься носу. Иди за инстинктами"

Билл Ханссон
Тайная сила обоняния. Доверься носу. Иди за инстинктами

Bill Hansson

DIE NASE VORN.

EINE REISE IN DIE WELT DES GERUCHSSINNS

Originally published as «Die Nase vorn. Eine Reise in die Welt des Geruchssinns»

Copyright © 2021 S. Fischer Verlag GmbH, Frankfurt am Main

© Глазкова Т.Ю., перевод на русский, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

* * *

Введение

Холодные месяцы позади. Поля только что вспаханы. Воздух впервые с начала года кажется по-настоящему теплым. В нем витает особый приятный запах. Для всех, кто пережил такой момент, аромат означает именно это: весна, свежая земля, пашни. Нас может унести в прошлое воспоминание, спрятанное где-то в глубине мозга. Едва ли любой другой сенсорный опыт столь активно вызывает в воображении картины давно минувших дней, как полученный через обоняние. Воспоминания как будто только и ждут, когда подходящий запах пробудит их.

В литературе один из самых ярких примеров способности запаха вызывать воспоминания можно найти в первом из семи романов шедеврального цикла Марселя Пруста «В поисках утраченного времени» (оригинальное название на французском – A la recherche du temps perdu). Сладкий аромат «Мадлен», маленьких бисквитных печений, невольно будит воспоминания о детстве и взрослой жизни автора.

Но обоняние – это не уникальная особенность людей. Все живые существа, позвоночные и беспозвоночные, от насекомых до людей, используют сенсорные системы для восприятия окружающей среды и общения друг с другом. В ходе эволюции многие биологические виды стали в той или иной степени зависимы от информации определенного типа. Цикады и летучие мыши в основном используют звуковые волны, стрекозы и люди часто полагаются на визуальные образы, а мотыльки, свиньи и собаки славятся своим острым нюхом.

Мы, люди, на самом деле очень рассчитываем на зрение и склонны забывать о других чувствах. Особенно это касается нашего обоняния – отчасти потому, что в наши дни мы меньше доверяем химической информации. Но и для нас в запахе есть нечто важное. Что-то, чего мы хотим избежать. Только подумайте, сколько усилий мы прилагаем, чтобы скрыть, замаскировав искусственными ароматизаторами или нейтрализовав дезодорантом, собственный естественный запах. Мы думаем, что меньше, чем другие живые существа, зависим от полученной благодаря обонянию информации, но в действительности это не так. Многие важные аспекты нашей жизни сильно зависят от запаха. О том, какие именно, я подробнее расскажу в главе о человеческом обонянии.

Животным острый нюх абсолютно необходим для выживания и размножения. Еще в XIX веке французский энтомолог Жан Анри Фабр заметил, что самка бабочки в клетке у него дома привлекает большое количество бабочек-самцов, и предположил, что это связано с запахами. Сегодня мы знаем, что он был на правильном пути. Самец мотылька следует за запахом, который самка оставляет в виде ароматного следа в гомеопатической концентрации; это делает мотылька, по-видимому, величайшим нюхачом среди всех животных.

Когда лосось возвращается на нерест в тот же рукав реки, где он родился, он ориентируется по запаху. Без обоняния он бы потерялся. Запахи в воде крайне специфичны: каждый приток имеет свои особенности.

Кобели так же, как мотыльки, стремятся учуять запах самки в течке, но их нюх не такой острый. Тем не менее чувствительность к запахам у собак в тысячу раз выше, чем у нас, людей. Мы используем их способности во многих ситуациях, таких как охота и выслеживание, поиск оказавшихся под руинами после землетрясения и даже диагностика рака. Для собак большая часть жизни протекает не столько в визуальной среде, сколько в атмосфере запахов, соответственно, и прошлое они воспринимают не в виде зрительных впечатлений, а в виде запахов. Ароматы остаются в окружающем мире и могут рассказать нашим четвероногим друзьям, что произошло или кто прошел мимо, много часов спустя.

Долгое время считалось, что у птиц нет обоняния или оно очень плохое. Сегодня мы знаем о птичьем нюхе больше. Грифы могут издалека уловить характерные молекулы запаха, исходящие от мертвого животного. Альбатросы и другие морские птицы находят дорогу к богатому планктоном участку по запаху, который обещает им успешную рыбалку.

Возможно, еще более удивительно то, что растения также могут посылать друг другу ароматические сообщения. Они также манипулируют друзьями и врагами с помощью очень специфических запахов. Например, если растение атакуют личинки бабочки, оно изменяет выделяемые летучие вещества. Эти молекулы играют две полезные роли. С одной стороны, они предупреждают соседей того же вида, что идет нападение, поэтому нужно активировать их защитные системы до того, как до них доберутся вредители. А с другой стороны, летучие вещества иногда могут служить и зовом о помощи: они привлекают естественных врагов этих личинок. Враг моего врага – мой друг. Даже в растительном мире. Кроме того, растения эволюционировали, чтобы привлекать насекомых, от которых зависит их опыление. Обычно этот процесс взаимовыгоден, но иногда растение обманом заставляет насекомых опылить его, не давая ничего взамен.

Все эти примеры ясно показывают, что выживание и размножение большинства живых существ зависит от обонятельной информации. Те, кто способен чувствовать химическую среду, могут адаптироваться к условиям окружающего мира, находить пищу или партнера и избегать множества врагов, токсинов и патогенов.

Но прежде чем мы сможем понять, как работает запах, нам нужно узнать, что это такое. Запах и вкус состоят из химической информации. Молекулы, растворенные в воде, дают нам вкус, а когда они находятся в воздухе, мы чувствуем их запах. Кусочек сахара не пахнет, потому что его молекулы слишком тяжелые и не взлетают, в то время как молекулы, которые исходят от лимона, нельзя спутать ни с чем другим. Молекулы лимона и цитрали[1]1
  Цитраль – бесцветная или светло-желтая вязкая жидкость с сильным запахом лимона. – Прим. перев.


[Закрыть] легко попадают в наши ноздри. Но не все испускаемые молекулы являются запахами. Они становятся частью запаха – например банана – только в том случае, если другое живое существо может их воспринять. Количество химических соединений поистине впечатляет. Банан испускает сотни различных молекул. Лишь немногие из них представляют собой настоящие молекулы запаха, которые могут уловить рецепторы насекомых или человеческий нос; все остальные – просто летучие вещества.

Чтобы иметь возможность воспринимать запахи, всем животным нужна некая система обнаружения. Особая часть нервной системы должна контактировать с окружающей средой и иметь специфические рецепторы, распознающие соответствующие молекулы. Эти рецепторы – специальные устройства распознавания – необходимы, поскольку нервы как таковые не могут ни видеть, ни обонять.

Чтобы видеть, людям нужны только три типа рецепторов, которые поглощают весь видимый свет. Свет состоит из более медленных или более быстрых волн, частота колебания которых вызывает впечатление разных цветов. Совсем иначе устроено обоняние. Каждая молекула аромата обладает уникальными химическими свойствами, которые отличают ее ото всех других молекул. Вот почему у нас не три обонятельных рецептора, а около четырехсот. В противном случае мы не смогли бы воспринимать миллионы различных запахов.

Большинство рецепторов реагируют на целый спектр молекул. Их активация похожа на игру на фортепиано. Если вы нажмете четыреста клавиш-рецепторов, то сможете воспроизвести миллионы мелодий запахов. Как только нервы в нашем носу улавливают молекулы запаха, сигналы направляются в определенную область мозга, где информация передается в клубочки (гломерулы) – маленькие шарики нервной ткани. Каждый клубочек получает сообщения от нервов, связанных с определенным типом рецепторов. Соответственно, «мелодия» транслируется в трехмерную карту деятельности. Эта карта считывается нейронами следующего уровня и передается в другие области мозга, такие как гиппокамп и миндалевидное тело, где значение запаха кодируется и помещается в контекст. Я вернусь к важности этих областей и всей системы позже.

Интересно, что обонятельная система имеет в основном сходное строение у большинства изученных до сих пор живых оргазизмов (за исключением растений). Периферические нервы с рецепторами сходятся в клубочки нервной ткани и в конечном итоге связаны с определенными областями мозга. Мы видим одни и те же строительные блоки у самых разных живых существ, от мух до людей.

Итак, хотя обоняние устроено более или менее одинаково у всех животных, оно, несомненно, имеет различное происхождение. Конвергентная эволюция на длинном пути от насекомых к человеку, вероятно, породила сходство между представителями различных классов. Для того чтобы все живые существа могли чувствовать запахи, их нос должен быть оснащен какой-либо формой химических детекторов, нейронов, которые могут улавливать различные молекулы в воздухе или в воде.

Восприятие и идентификация молекул происходят в обонятельных рецепторах, которые расположены в мембране обонятельных нервов – чувствительных нейронах. Рецепторы состоят из белков, молекулярные цепочки которых семь раз пронизывают мембрану нервной клетки. Они образуют карманы и складки, в которые молекулы аромата входят, как ключ в замок. Если ключ соответствует, он запускает нейрохимический процесс, называемый каскадом передачи, который приводит к электрической реакции нервной клетки. Затем этот сигнал может пройти по аксону нейрона к первой обонятельной станции мозга.

Но прежде чем изучить, что происходит в мозге, давайте посмотрим на микроокружение обонятельных сенсорных нейронов. В носу всех млекопитающих, птиц и других наземных позвоночных нервные клетки контактируют напрямую с воздухом. Это единственное место в нашем теле, где нейроны непосредственно подвергаются воздействию среды. Поэтому нос снабжен защитным слоем слизи, который окружает открытые нейроны. У насекомых и других членистоногих нейроны заключены в маленькие волоски на антеннах и педипальпах («носах» насекомых). Каждый из этих крошечных волосков также содержит слизь. По составу она похожа на морскую воду, но в ней много белков, поэтому слизь становится вязкой и сложнее испаряется. Белки также помогают жирным молекулам растворяться в «морской воде» носа.

От антенн и носа обонятельные сенсорные нейроны тянут свои аксоны к обонятельной луковице (у позвоночных) или антенной доле (у членистоногих) головного мозга. Эти первичные обонятельные центры мозга более или менее сходны у всех описанных здесь животных. Аксоны нейронов идут от носа к маленьким шарикам нервной ткани, называемым клубочками. Каждый тип обонятельных нейронов, продуцирующих обонятельные рецепторы определенного типа, нацеливается на определенный клубочек в луковице/доле. Таким образом, когда нейроны в носу или антеннах активируются, клубочки «раскрашиваются» картой активности. У насекомых – от пятидесяти до пятисот клубочков, у мыши их около двух тысяч, а у человека – еще больше.

Обработка информации частично происходит в обонятельной луковице или антенной доле с помощью рассеянных локальных нейронов, которые транспортируют информацию от одной маленькой сферы к другой и тем самым создают возможность влияния разных запахов друг на друга. В конце концов обработанное сообщение выходит из доли/луковицы через нейроны, связанные с высшими отделами мозга; здесь происходит восприятие, запоминание, принятие решений и другие когнитивные процессы.

А как насчет множества обонятельных сообщений, которые передают представители одного биологического вида друг другу и представителям другого вида? Что ж, для таких нейромедиаторов существует специальная терминология. Подробнее о ней рассказывается в следующих главах, здесь мы лишь упомянем некоторые из терминов.

Пахучее вещество, которое передает сообщение между особями одного и того же вида, называется феромоном. Типичный пример можно найти у сук, которые, когда у них течка, посылают обонятельное сообщение, которое призывает всех кобелей в этом районе: «Приходите и спарьтесь со мной!» В следующих главах мы приведем много примеров феромонов и их действия.

Другие нейромедиаторы передают сообщения между разными видами. Обычно их различают в зависимости от того, кто получает от них пользу: отправитель или получатель. Если они приносят пользу получателю, говорят о кайромонах. Типичным примером может служить запах, испускаемый животным-жертвой – допустим, мышью, которую затем съест хищник, например кошка.

Если же запах полезен отправителю, это алломон. К этой категории относятся все аттрактанты, а также защитные механизмы, такие как у скунса, который распыляет вонючую жидкость, чтобы отогнать врагов.

И, наконец, запах-послание может принести пользу обеим сторонам. Такое вещество называется синомоном. Классический пример синомона – запах цветов, опыляемых насекомыми: цветок оплодотворяется, а насекомое получает вознаграждение в виде нектара и пыльцы.

Люди накопили большой объем информации о том, как работает обоняние, какие молекулы задействованы и какие поведенческие реакции оно вызывает. Обладая этими знаниями, мы можем планировать разные стратегии, которые принесут нам многочисленные выгоды. Электронные «носы» уже помогают нам в диагностике заболеваний, проверке безопасности и мониторинге загрязнения окружающей среды. Кроме того, существует огромная индустрия, занимающаяся изобретением новых соблазнительных ароматов для тела. Когда свиновод хочет оплодотворить свиноматку, он покупает синтетические феромоны хряка, чтобы настроить ее на нужный лад. Многие виды насекомых также можно контролировать с помощью ароматов растений или феромонов.

В этой книге мы исследуем увлекательный мир ароматов на примерах из окружающей жизни. Получив знания о наших собственных органах обоняния, их функциях и строении, мы сможем рассмотреть системы других видов и даже классов.

В нескольких главах я поделюсь увлекательными открытиями, сделанными в ходе моих собственных исследований и исследований моих коллег. Это будут истории о разных животных, а также о том, как запахи растений влияют на окружающую среду. Я начну с возможного влияния изменения климата на экологию запахов и закончу обзором того, как люди используют обширные знания о запахах и поведении, управляемом запахами, в своих интересах.

Глава 1
Обоняние в антропоцене

Любой, кто прошел бы по улице города тысячу лет назад, вероятно, получил бы совершенно другие сенсорные впечатления, чем мы сегодня. Если бы мы попали в 1021 год, то не увидели бы ни машин, ни самолетов, ни кораблей. Может быть, нам не удалось бы даже пройти по настоящей улице в современном понимании этого слова. Мир, без сомнения, тогда был значительно тише. Таковы были бы наши слуховые и зрительные впечатления. Но как же запахи?

Обоняние имеет несколько уровней, и в этом контексте можно задать множество вопросов: пахнем ли мы и наша окружающая среда сегодня иначе, чем тысячу лет назад? Или чем сто лет назад? Как изменились запахи в нашей среде за эти годы? Как мы, люди, повлияли на сложный ландшафт ароматов вокруг нас? Изменилось ли наше собственное обоняние и восприятие запахов? Как наша деятельность повлияла на способность чувствовать запахи? Какие процессы привели к изменениям обоняния человека и животных?

Во-первых, в 1021 году мы не почувствовали бы волну автомобильных выхлопов или зловоние местных очистных сооружений. Синтетические запахи – например духов, дезодоранта или новой машины – тогда тоже отсутствовали. И даже естественные запахи, вероятно, были другими.

С тех пор как люди вторглись во все уголки земли, мы всегда находили способы изменять и эксплуатировать окружающую среду. Приведу лишь несколько примеров: мы вырубили леса, засадили поля зерновыми, уничтожили многие растения и животных и индустриализировали мир. Эту новую геологическую эпоху, в которую мир резко изменился в результате деятельности человека, часто называют антропоценом{1}1
  Crutzen, P. J. & Stoermer, E. F. (2000). The Anthropocene. Global Change Newsletter, 41, 17.


[Закрыть].

Четкое определение времени начала этой эпохи до сих пор является предметом обсуждения. Гипотезы зарождения антропоцена основываются на самых разных исторических моментах: от начала сельскохозяйственной революции, около десяти или пятнадцати тысяч лет назад, до конца Второй мировой войны, то есть периода, отмеченного испытаниями ядерного оружия, экономическим бумом 1950-х годов и сопровождавшими его резкими социально-экономическими и климатическими изменениями.

Но какую бы точку отсчета мы ни выбрали, ясно одно: люди оказывают огромное влияние на планету в целом, а также на каждый вдох и выдох, которые делаем мы и другие животные. Точно так же мы воздействуем на молекулы, которые содержатся в каждом из этих вдохов и выдохов.

Наш изменчивый обонятельный ландшафт

Во-первых, давайте посмотрим на естественные запахи и на то, как они меняются. Тысячу лет назад природа практически не подвергалась влиянию человека. Многие виды растений и животных вместе населяли поля и леса. Повсюду росли цветы. Ель и сосна соседствовали с лиственными деревьями. Ключевое понятие, характеризующее природу того времени, – биологическое разнообразие. Со временем люди все активнее вырубали или выжигали леса, превращали цветущие луга в пахотные земли. Все эти изменения привели к массовому распространению нашего вида и увеличению количества человеческих особей. В то же время постепенно происходили глубокие изменения в обонятельном ландшафте нашей среды.

Вместо смешанных лесов с их разнообразием пород мы создали крупномасштабные монокультуры деревьев. Соответственно, и запахи стали более простыми – сравним запах современного елового леса с ароматом древнего смешанного. Вы и сами можете сравнить, когда в следующий раз окажетесь в лесу.

Такое же упрощение происходило параллельно на полях. Огромные монокультуры теперь можно найти там, где раньше было большое биологическое разнообразие. Прерии Северной Америки превратились в бескрайние поля кукурузы и пшеницы. Та же участь постигла и европейские луга. Ощущая так называемые естественные запахи вокруг нас, мы должны осознавать, что обонятельный ландшафт претерпел значительные изменения. Как это произошло?

Разрушительная роль CO₂

Когда мы ведем автомобиль, летим в самолете или занимаемся промышленной деятельностью, мы выделяем много веществ, влияющих на климат и молекулярный состав атмосферы. Одним из наиболее широко освещаемых изменений, связанных с антропоценом, является увеличение в окружающей среде объема углекислого газа, CO₂: оно способствует возникновению парникового эффекта, то есть резкому изменению глобальных температур, а также повышению кислотности океанов и общей дестабилизации климата{2}2
  Lindsey, R. (2020). Climate Change: Atmospheric Carbon Dioxide. Climate.gov. https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide.


[Закрыть].

CO₂ представляет собой слабо реакционноспособное соединение и не влияет напрямую на запахи в атмосфере, но может влиять на то, какие летучие вещества выделяет растение. Причина – в физиологических изменениях внутри растения. Углекислый газ увеличивает фотосинтез за счет сниженного потребления воды и изменения химического состава тканей растений{3}3
  Drake, B. G., Gonzalez-Meler, M. A. & Long, S. P. (1997). MORE EFFICIENT PLANTS: A Consequence of Rising Atmospheric CO₂? Annual review of plant physiology and plant molecular biology, 48, 609–639. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.48.1.609.


[Закрыть]. Колебания уровня CO₂ также могут влиять на способность насекомых находить растения-хозяев. Мотыльки ощущают выброс CO₂, который происходит при раскрытии цветка, и используют его, чтобы найти своих поставщиков нектара. Если насекомым трудно найти нужные цветы из-за повышенного фонового уровня CO₂ в воздухе, это сказывается как на опылении, так и на заражении вредителями{4}4
  Goyret, J., Markwell, P. & Raguso, R. (2008). Context– and scale-dependent effects of floral CO₂ on nectar foraging by Manduca sexta. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105, 45654570. 10.1073/pnas.0708629105.


[Закрыть].

При повышенном фоновом уровне CO₂ комарам труднее найти «донора крови», потому что этот газ является одним из основных обонятельных сигналов, которые комары используют для распознавания своих хозяев (см. главу 9){5}5
  Majeed, S., Hill, S. & Ignell, R. (2013). Impact of elevated CO₂ background levels on the host-seeking behaviour of Aedes aegypti. The Journal of experimental biology. 217.10.1242/jeb.092718.


[Закрыть]. С точки зрения человека, это можно считать преимуществом, но есть и обратная сторона.

Уже доказано, что видообразование комаров резко ускоряется в периоды повышенного содержания CO₂ в атмосфере{6}6
  Tang, C., Davis, K. E., Delmer, C., Yang, D. & Wills, M. A. (2018). Elevated atmospheric CO₂ promoted speciation in mosquitoes (Diptera, Culicidae). Communications biology, 1, 182. https://doi.org/10.1038/s42003-018-0191-7.


[Закрыть]. Это приводит к тому, что другие, более специфические запахи становятся эффективными в качестве потенциального механизма изоляции между новыми видами. С этой точки зрения прогнозируемое антропогенное повышение уровня CO₂ в атмосфере имеет важные последствия для здоровья человека и, потенциально, для эффективности опыления за счет изменения численности и распределения насекомых.

Так что на суше перспективы безрадостны. Но и в море не лучше. CO₂ растворяется в воде и образует угольную кислоту (H₂CO₃), которая увеличивает кислотность воды{7}7
  Haugan, P. M. & Drange, H. (1996). Effects of CO₂ on the ocean environment. Energy Conversion and Management, 37, 1019–1022. https://doi.org/10.1016/0196-8904 (95)00292-8.


[Закрыть]. Исследования показали, что такая вода ухудшает обоняние морских обитателей. И независимо от того, помогает ли им обоняние избегать врагов, находить пищу или партнера, более низкий уровень pH океана значительно влияет на их жизнь и затрудняет подобную деятельность{8}8
  Porteus, C., Hubbard, P., Uren Webster, T., van Aerle, R., Canario, A., Santos, E. & Wilson, R. (2018). Near-future CO₂ levels impair the olfactory system of a marine fish. Nature Climate Change. 8.10.1038/s41558-018-0224-8.


[Закрыть]. Пока неизвестно, смогут ли морская экосистема и пищевая сеть адаптироваться к изменившимся условиям.