Кто лучше чует — человек или собака?
У кого обоняние лучше: у человека или у собаки? Ответ, казалось бы, очевиден: у человека около 400 активных обонятельных рецепторов, а у собаки — 800. Однако некоторые запахи мы чувствуем гораздо лучше животных.
Химики знают, что запах — это единственное свойство материи, которое мы не можем измерить прибором. До сих пор не изобретён ни «запахомер», ни «автоматический вонеизмеритель». Только живой нос способен различить, где ароматный кусочек пищи, а где гниющий несъедобный плод.
Аромат и вонь с точки зрения химии может разделять одна буква в формуле или одно различие в длине химической связи. Давайте разбираться, как строение молекул определяет эту разницу.
Что такое запах с точки зрения науки? Космонавты и гравитация
Для физиолога запах — это сложный процесс взаимодействия химических веществ с обонятельными рецепторами в носовой полости. Только вот не всякая молекула способна участвовать в этом процессе.
Представьте, что пахучие молекулы — это космонавты, а ароматное вещество — планета, на которой они обитают. У одних планет гравитация слабая: достаточно легкого толчка, чтобы обитатели покинули её и отправились в необъятные просторы Галактики. У других притяжение чудовищное: молекулы не могут сдвинуться с места, а потому сидят намертво. Поэтому бензин пахнет за версту, а железная дверь — нет. Только то, что испаряется, может быть унюхано.
Определенную роль в летучести играет молекулярная масса. Крупные молекулы (тяжелее 400 дальтон) плохо испаряются, поэтому с трудом переходят в газообразное состояние.
Испарившегося вещества должно быть не много и не мало, а достаточно для восприятия запаха. Причем количество молекул в воздухе и чувствительность рецептора для разных запахов отличаются. Человек в 10 миллионов раз чувствительнее к запаху тухлых яиц (сероводороду), чем к запаху бытового газа. Эволюция сделала так, чтобы мы выживали: падаль и яды должны чувствоваться мгновенно, даже если их одна молекула на литр воздуха.
Как наш нос распознаёт запахи?
Спойлер: нос запахи не распознаёт, а только улавливает.
Итак, наши маленькие космонавты добрались до планеты под названием Нос. У каждого астронавта на перчатке есть ключ определенной формы, который идеально должен подойти к замку — обонятельному рецептору. Если трехмерная форма молекулы пахучего вещества подходит к замку, замок открывается, рецептор срабатывает.
Обонятельный рецептор — это белок, пронзающий клетку насквозь. Когда ароматная молекула прилипает к нему, в клетке открывается ионный канал и внутрь врывается лавина ионов натрия и кальция. Этот поток генерирует электрический импульс, который бежит по нервам как ток по проводам.
По обонятельному нерву импульс достигает обонятельных луковиц — древнейших структур переднего мозга, а затем попадает в обонятельные центры, в том числе в лимбическую систему, отвечающую за эмоции и память.
Мозг анализирует полученную информацию и «идентифицирует» запах. Обонятельная кора утверждает, что это пахнет розой, а не жасмином, а лимбическая система сентиментально вздыхает, воспроизводя воспоминания детства, связанные именно с этим ароматом.
Получается, что одного носа недостаточно, чтобы понять: роза пахнет розой, а аромат кофе не похож на запах чая. Нос — это не химический анализатор. Это стереохимический детектор формы с электрическим выходом.
Интересные факты: О чём молчат металлы и почему устаёт нос?
- Некоторые вещества не пахнут просто потому, что их молекулы слишком просто устроены. Например, кислород, вода или угарный газ не имеют запаха. Слишком простая форма молекулы не подходит ни к одному рецептору.
- Металлы не пахнут. Тот запах, который мы идентифицируем как металлический, — это запах нашей собственной кожи. Железо катализирует реакцию перекисного окисления липидов на ваших руках, и вы чуете 1-октен-3-он (запах грибов и сырости). Чистое железо в вакууме не пахнет ничем.
- Нос устаёт от запаха за 3–5 секунд (адаптация рецепторов) — поэтому мы не чувствуем свои духи через 10 минут после нанесения.
- Если молекула запаха очень маленькая (как уксусная кислота), она долетает до рецептора за 0,1 секунды. Крупная молекула (например, мускус) летит медленнее — поэтому тяжёлые ароматы мы чувствуем с задержкой, как басовую партию в музыке.
Четыре короля парфюмерного рынка
Спойлер: речь пойдет не о самых знаменитых парфюмерных домах.
В парфюмерии около 3000 известных ароматических молекул, но 90% того, что вы чувствуете каждый день (от дезодоранта до мусорного ведра), создают всего четыре семейства веществ. Некоторые из них в чистом виде пахнут так, что вам захочется вызвать МЧС, другие сами по себе не пахнут ничем. Изучив их, вы начнете разбираться в парфюме лучше, чем продавец в магазине.
1. Альдегиды — «Блеск и пудра»
Да, это название вы когда-то слышали на уроке химии. Слово «альдегид» происходит от латинского alcohol dehydrogenatus — «спирт, лишённый водорода». В их молекулах атом углерода соединен с атомом кислорода двойной связью, плюс есть один атом водорода.
Конструкция эта очень нестабильная и потому активная. Альдегиды легко окисляются кислородом воздуха, образуя кислоты. Именно поэтому старая косметика пахнет прогорклым маслом — такой аромат придаёт ей масляная кислота.
Молекулы простейших альдегидов имеют маленькую молекулярную массу и слабо связаны друг с другом, поэтому легко испаряются. Летучие молекулы легко достигают обонятельных рецепторов, к которым отлично прилипают и долго держатся.
В 1925 году парфюмер Эрнест Бо сделал невероятное: добавил в женские цветочные духи огромную дозу синтетических альдегидов — деканаля, ундеканаля и додеканаля. Парфюмеры того времени были в шоке — это было всё равно что добавить в букет роз бензин и свечной воск. Но именно эти «химические», «металлические» ноты создали тот самый эффект сияния, который не дает Chanel №5 устареть уже 100 лет.
Интересный факт: аромат ванили, который принято считать весьма далеким от химии, — это запах ароматического альдегида. С химической точки зрения он мало чем отличается от запаха смерти — формалина, в котором хранят трупы в морге. И тот и другой — альдегиды. Разница — в длине углеродной цепочки и в том, что висит сбоку.
2. Тиолы — «От скунса до грейпфрута»
Тиолы — это молекулы, в которых обычный кислород спирта заменен на серу. И сера — это проблема. Серосодержащие молекулы пахнут резко, пронзительно и обычно мерзко. Почему эволюция так устроила? Потому что сера есть в продуктах гниения белка (тухлые яйца, падаль, фекалии). Наши предки, которые чуяли серу и бежали прочь, выживали чаще. Мы — их потомки.
Простейшие тиолы пахнут отвратительно: метилмеркаптан — тухлыми яйцами, этилмеркаптан — тухлой капустой. Не случайно эти вещества добавляют к бытовому газу, чтобы вы легко учуяли утечку. Порог восприятия метилмеркаптана: 0,4 части на миллиард. Одна капля этого вещества способна испортить запах в трех олимпийских бассейнах воды.
А теперь самое удивительное. Достаточно увеличить количество атомов углерода в молекуле тиола до шести, взять его в микродозах и окружить молекулами сладких эфиров и терпенов — и мы получим колкость, искристость и прозрачность аромата грейпфрута. Без тиола цитрус пах бы скучно и предсказуемо — как сладкий апельсин.
Хотите понять, как работают тиолы? Нарежьте лук. Сначала вы ощутите резь в глазах — это синентиол, тиол, который образуется, когда вы режете клетки лука. А теперь подождите 5 минут и понюхайте разделочную доску. Появился сладковатый, чуть сернистый запах — это тот самый механизм, который делает шашлык вкусным при жарке.
Интересный факт: белый трюфель стоит тысячи долларов и пахнет для гурманов как божественный лесной орех с чесноком. На химическом уровне 80% его запаха — это бис(метилтио)метан, одна из самых вонючих тиольных молекул, которая в других контекстах пахнет как утечка газа в подвале.
3. Индол — «Фекалии и жасмин»
Индол — это белое кристаллическое вещество (похоже на сахар), но нюхать его в чистом виде не советую. Он состоит из бензольного кольца и пиррольного кольца. В природе индол образуется при бактериальном разложении аминокислоты триптофана в кишечнике. И да, основной источник — фекалии.
Сорвать цветок жасмина в саду и понюхать его — это вдохнуть индол. А зайти в грязный деревенский туалет — это вдохнуть тот же индол, но в тысячу раз более концентрированный. Молекула одна и та же. Разница только в количестве.
Парфюмеры знают этот секрет. Когда вы чувствуете в духах запах «грязного жасмина», «животной страсти» или «кожи» — скорее всего, там есть индол. Он добавляет аромату глубину, темноту и наркотическую сладость. Без индола цветочные ароматы были бы плоскими и мыльными.
В классических духах Chanel №5 и Poison от Dior доля индола в формуле достаточно высока, а Serge Lutens Sarrasin — это почти чистый индол. Люди либо обожают эти ароматы, либо ненавидят: третьего не дано, потому что индол бьет прямо в лимбическую систему, в самые древние, дочеловеческие страхи и вожделения.
Почему мы любим индол в жасмине, но ненавидим в фекалиях? Потому что в жасмине индол окружен другими молекулами: бензилбензоатом (сладкий бальзам), линалоолом (лавандовая свежесть), цитралем (лимон). Это как соль в еде: сама по себе несъедобна, но в правильной пропорции с другими продуктами делает блюдо гениальным.
4. Мускусы — «Тёплая кожа и стиральный порошок»
Натуральный мускус — это желеобразное вещество, которое вырабатывает кабарга (маленький олень без рогов) в железе на брюшке. Самец кабарги использует его для маркировки территории. Человек обнаружил, что если сильно разбавить этот секрет, то он пахнет… тёплой кожей, сладковатой пудрой и чем-то неуловимо родным. В концентрированном виде — навоз и аммиак, но в парфюмерной дозе — чистое золото.
Молекулы мускуса огромные и тяжёлые. Они испаряются очень медленно. Поэтому если добавить мускус в духи, все остальные ноты (цитрусы, цветы, пряности) «сядут» на эти тяжёлые молекулы и будут держаться на коже 6–12 часов вместо 1–2. Без мускуса духи выветриваются за час.
Вы пахнете мускусом прямо сейчас. Нет, вы не кабарга. Современные стиральные порошки, кондиционеры для белья, мыло, шампуни, дезодоранты содержат Galaxolide — полициклический мускус. Запах «чистого белья», «свежести», «нежного порошка» — это и есть синтетический мускус. Вы настолько к нему привыкли, что перестали замечать. Но если бы из всего мира убрали мускусы, вы бы почувствовали резкую разницу: бельё пахло бы просто тканью, а не той неуловимой «теплотой».
Интересный факт: натуральный мускус кабарги пахнет грубо и животно, а синтетический мускус (Galaxolide) — чисто и пудрово. Но наш нос устроен так, что он воспринимает оба как «нечто родное, кожное, тёплое». Почему? Потому что мускусные молекулы похожи на феромоны человека (стероиды). Мы нюхаем мускус и подсознательно думаем: «Это кто-то из своих. Человек. Безопасно. Тепло». Поэтому мускус — единственный запах, который практически никогда не вызывает отвращения. Даже если вы не знаете, что это такое, вы его любите.
От парфюмерии к кухне: Реакция Майяра — король кулинарной химии
Французский химик Луи Камиль Майяр в 1912 году нагрел смесь глюкозы и аминокислоты глицина и получил тёмную, ароматную жидкость. Он не сразу понял, что открыл. А открыл он то, что происходит каждый раз, когда вы жарите, печёте, варите сгущёнку или обжариваете кофейные зёрна.
Реакция Майяра — это химическая любовь между сахарами и аминокислотами при нагреве выше 140–150°C. В результате рождаются сотни новых молекул: пиразины (ореховый запах), фураны (карамельный), тиолы (мясной), альдегиды (сладкий). Вместе они создают тот самый «жареный», «печёный», «аппетитный» аромат, ради которого веганы иногда нарушают диету.
Сырое мясо почти не пахнет. Сырая картошка пахнет землёй. Зелёные кофейные зёрна пахнут травой. Но стоит их нагреть — и запускается каскад реакций. За 5–10 минут при 150°C возникает 600–800 различных летучих молекул. Именно поэтому жареный стейк «воняет» (в хорошем смысле) на всю улицу, а варёный — нет. Реакция Майяра не идёт в кипящей воде (100°C), ей нужен сухой жар.
Эфиры: Как рождаются фрукты и конфеты
Сложные эфиры образуются при реакции спирта и кислоты. Звучит сложно, но на деле это самый простой способ получить «фруктовый» запах. Апельсин, банан, груша, яблоко — все эти знакомые с детства запахи создаются разными эфирами.
Реакция носит сложное название — этерификация, но проста по сути:
Спирт + Кислота → Сложный эфир + Вода.
У природы своя лаборатория. Когда фрукт созревает, в его клетках происходят тысячи таких реакций, и он начинает пахнуть. Незрелый зелёный банан почти не пахнет, потому что эфиров ещё нет. Спелый жёлтый банан пахнет на весь дом изоамилацетатом. Переспелый банан пахнет спиртом, так как эфиры разрушаются, а спирты накапливаются.
Изоамилацетат — это король дешёвой сладкой химии. Откройте любую конфету со вкусом «груша» или «банан» — внутри изоамилацетат. Откройте дешёвый йогурт с фруктовым вкусом — скорее всего, там не фруктовый сок, а эфир. Потому что натуральные фрукты при нагреве и хранении теряют аромат, а синтетические эфиры стабильны.
Но есть нюанс: чистый изоамилацетат пахнет слишком просто, «пластмассово». Поэтому дорогие парфюмерные композиции используют не один эфир, а коктейль из 20–30, чтобы создать иллюзию настоящего спелого плода.
Интересный факт: вы купили красивое красное яблоко в супермаркете. Оно твёрдое, блестящее, красивое. Но почему оно почти не пахнет? Потому что его собрали зелёным и обработали 1-метилциклопропеном, который блокирует созревание. В таком яблоке эфиры не образовались. А вот мятое, некрасивое яблоко с дерева у бабушки в деревне пахнет за версту — в нём идёт полный химический процесс.
Эфиры — это маркер жизни. Чем больше эфиров, тем живее и спелее фрукт, и тем быстрее он испортится.
Другие съедобные молекулы: Пиразины, лук, чеснок и кокос
Пиразины — это азотсодержащие гетероциклы. Они образуются при реакции Майяра и дают запахи жареных орехов, кофе, шоколада и попкорна. Самый известный — 2,3-диметилпиразин (ореховый, жареный). Если вы чувствуете «кофейную» ноту в тёмном пиве или хлебе — это пиразины.
Режете лук и плачете? Спасибо тиосульфинатам. Когда вы разрушаете клетки лука, фермент аллииназа превращает аллиин в тиосульфинат пропил (синентиол). Эта молекула заставляет вас плакать. Она отвратительно пахнет, но исчезает при нагревании, поэтому жареный лук не горький и не едкий.
У чеснока похожий механизм, но его главная молекула — аллицин. Она отвечает за тот самый резкий чесночный запах, который потом чувствуется из пор через несколько часов (аллицин всасывается в кровь и выходит с потом и дыханием).
Лактоны — это циклические эфиры (сложные эфиры, замкнутые в кольцо). Они пахнут кокосом, сливочным маслом, персиком, абрикосом. Лактоны часто образуются при окислении жиров. То есть прогорклое масло и свежий кокос — родственники, разница — в степени окисления и концентрации.
Запахи, которых нет: Симфонии из десятков молекул
В предыдущих блоках мы разбирали запахи, у которых есть чёткий источник: жасмин пахнет индолом, грейпфрут — тиолами, жареное мясо — реакцией Майяра. Но есть группа запахов, которые не принадлежат одному веществу. Это симфонии из десятков молекул, возникающие в специфических условиях. Вы их знаете все: запах первого дождя по асфальту, запах моря, запах грозы и запах старых библиотек. Давайте разберём, из чего они состоят.
Петрикор и геосмин — «Запах дождя»
Петрикор (от греч. petros — камень и ichor — кровь богов) — это запах, возникающий, когда дождь падает на сухую землю или асфальт после засухи. Термин придумали австралийские учёные Изабель Бир и Ричард Томас в 1964 году. Вы знаете этот запах: влажный, землистый, немного сладковатый, «чистый». Его обожают не только люди, но и верблюды — они чуют его за десятки километров и идут к воде.
Геосмин — это спирт, который выделяют бактерии Streptomyces, когда умирают. Для бактерий это сигнал «здесь больше нет еды, ищи новое место». Для человека — запах «только что прошёл дождь». Порог восприятия геосмина: 5 частей на триллион. Вы чувствуете его задолго до того, как увидите дождь.
Когда долго нет дождя, бактерии Streptomyces размножаются в верхнем слое почвы, выделяя геосмин. Молекулы геосмина впитываются в поверхность камней, пыли, асфальта. Когда падает первая капля дождя, происходит два процесса:
- Капля разбивается о поверхность и разбрызгивает аэрозоль из пыли и воды (эффект импакт-аэрозоля).
- Вода вытесняет молекулы геосмина из пор и трещин.
Ветер разносит этот аэрозоль — и вы чувствуете петрикор. Через 10–20 минут дождя запах исчезает: весь геосмин либо улетучился, либо впитался в мокрую землю.
Диметилсульфид — «Запах моря»
Запах моря — это не йод, как многие думают. Йод пахнет больницей и аптекой, а не свежим ветром с океана. Главная молекула морского запаха — диметилсульфид (CH₃–S–CH₃). Да, опять сера. Очень короткая, простая молекула, которая пахнет… варёной кукурузой, капустным рассолом и чем-то устричным.
Фитопланктон в океане выделяет вещество диметилсульфониопропионат (DMSP) для защиты от осмотического стресса — чтобы не лопнуть от изменения солёности. Когда фитопланктон умирает или поедается зоопланктоном, бактерии разрушают DMSP и высвобождают диметилсульфид (DMS). DMS улетучивается в атмосферу — и ветер несёт его к берегу.
Наш мозг учится ассоциировать запахи с обстановкой, поэтому DMS для вас — это запах каникул, чаек и соли. Если вы не были у моря, DMS может показаться просто запахом варёных мидий или рассола. Но на химическом уровне — это именно сера, как и тиолы. Просто в море она находится в низкой концентрации и окружена «свежими» нотами озона и влажной соли.
Озон — «Запах грозы и свежести»
Кислород на планете Земля существует в виде двух аллотропных модификаций: обычного кислорода, которым мы дышим (O₂), и очень активного окислителя озона (O₃). В стратосфере озоновый слой защищает нас от ультрафиолета, а у поверхности Земли озон — это загрязнитель и раздражитель лёгких. Но пахнет озон… свежо, резко, «грозово» и немного металлически.
Озон возникает при сильных электрических разрядах: при вспышке молнии, искре от работающего коллекторного мотора или под воздействием ультрафиолета. Вы нюхали озон, если когда-нибудь оказывались рядом с мощным трансформатором, после грозы или включали старый пылесос. Этот резкий «электрический» запах и есть озон.
Когда говорят «пахнет грозой», имеют в виду смесь трёх компонентов: озона, принесённого ветром из облаков с молниями; петрикора, поднятого первыми каплями дождя; и оксидов азота, которые образуются при тех же молниях и пахнут «обожжённым» и «кислым». Вместе они создают тот самый терпкий, чистый, «грозовой» аромат, который так любят описывать поэты.
Запах старой книги — «Библиотека и ванилин»
Любой, кто любит читать, знает этот запах: сладковатый, ванильный, с ноткой сухой бумаги, плесени и чего-то «старинного». Он возникает при старении бумаги — химическом разложении целлюлозы, лигнина и клея.
Свежая современная бумага (кислотная, из древесины) пахнет сильнее, чем старая тряпичная бумага (из хлопка и льна). Кислотная бумага разлагается быстрее, выделяя больше ванилина и фурфурола. Поэтому газеты 1950-х пахнут намного резче, чем инкунабулы XVI века. А в старых советских журналах особенно много лигнина — от них тот самый узнаваемый «журнальный» запах.
Заключение: Самая красивая химия на свете
Мы начали с того, как молекула входит в рецептор, как ключ в замок. Узнали про альдегиды, которые сделали революцию в парфюмерии. Поняли, что жареный стейк и свежий хлеб обязаны реакцией Майяра. А закончили запахами, у которых нет одного хозяина, — дождём, морем, грозой и старыми книгами.
Химия запаха оказалась не сухой наукой, а живой историей о том, как всего несколько атомов, соединённых в определённые фигуры, заставляют нас плакать от лука, мечтать о море, возвращаться в детство по запаху бабушкиных пирогов или покупать духи за сотни долларов.
Теперь, когда вы почувствуете тот самый запах после дождя, вы знаете: это геосмин. А когда ваши дети спросят, чем пахнет море, ответьте — диметилсульфид. И улыбнитесь, потому что это самая красивая химия на свете.
Что почитать по теме?
Семён Морозов "Бактерии отпугнули хищников запахом земли после дождя"
Ученые-парфюмеры научили лабораторные клетки чувствовать запахи
Выявлены обонятельные рецепторы носа, связанные с чувством насыщения
Громовая Я.В., Беляшова О.В. "Аромат здоровья"
Что посмотреть по теме?
Как работает обоняние / Биолог Юрий Матвеев
Вкус и запах – двигатели развития цивилизации / Анна Хоружая
Духи наизнанку / Кирилл Хайкин