Рис. 5.2. Молекулы а, б, в и г различаются по форме, однако пахнут практически одинаково. Молекулы д и е практически совпадают по форме, однако сильно различаются запахом

Отсутствие прямой связи между формой и запахом молекул всегда являлось — и продолжает оставаться — одной из главных проблем производителей парфюмерии и ароматов. Вместо того чтобы создать запах по той же схеме, что и бутылочку для него — всего лишь выбрать форму молекулы, парфюмеры вынуждены полагаться на химический синтез, который обычно растягивается на многочисленные этапы проб и ошибок, в ходе которых химикам вроде Дайсона приходится перенюхать бесчисленное множество запахов. И все же Дайсон заметил, что вещества, пахнущие одинаково, обычно содержали компоненты с одинаковыми химическими группами, например атом кислорода, связанный с атомом углерода двойной связью C=O, во всех веществах, обладающих запахом мускуса (см. рис. 5.2). Эти химические группы входят в состав любых крупных молекул и определяют многие их свойства, в том числе, как заметил Дайсон, запах вещества. Еще одна многочисленная группа веществ с похожим запахом включает вещества, в молекулах которых встречается сероводородная группа (S — H). Если в структуре молекулы есть атом водорода, связанный с атомом серы, вещество имеет характерный запах тухлого яйца. Дайсон предположил, что наши носы улавливают не форму всей молекулы вещества, а совсем иное физическое свойство, а именно частоту колебаний молекулярных связей между атомами.

Дайсон высказал свои предположения в конце 1920-х годов, когда никто не имел ни малейшего понятия, как обнаружить и зафиксировать молекулярные колебания. Однако в начале 1920-х годов во время путешествия в Европу индийский физик Чандрасекхара Венката Раман был восхищен «чудесными синими переливами Средиземного моря» и предположил, что «данное явление обязано своим происхождением рассеянию света молекулами воды». Обычно свет отталкивается от атома или молекулы «упруго», то есть без потери энергии, словно мячик из твердой резины от жесткой поверхности. Раман предположил, что в редких случаях свет может рассеиваться «неупруго», словно твердый мяч, ударяющий по бейсбольной бите, при этом передающий и бите и игроку некоторое количество энергии (помните, как в мультфильме Багс Банни отбивает быстро летящий мяч, после чего вибрирует и бита, и сам кролик). При «неупругом» рассеянии протоны также теряют энергию «в пользу» молекулярных связей, с которыми они сталкиваются и которые начинают колебаться. Рассеянный свет, таким образом, теряет энергию, что приводит к изменению его частоты и, соответственно, цвета (ближе к синему концу спектра), создавая эффект «чудесных синих переливов», которыми был очарован Раман.

Химики применяют данный принцип при исследовании структуры молекул. Через образец исследуемого вещества пропускается луч света, и разница между цветом и частотой (то есть энергией) входящего и выходящего света фиксируется как рамановский спектр вещества, представляющий собой своего рода отпечатки его химических связей. Метод выявления данного спектра — рамановская спектроскопия — носит имя индийского физика. За разработку данного метода Раман был удостоен Нобелевской премии по физике. Услышав о результатах исследований Рамана, Дайсон понял, что они, возможно, объясняют и механизм, посредством которого органы обоняния идентифицируют колебания молекул запаха. Он предположил, что нос «является своеобразным спектроскопом», способным улавливать частоту колебаний различных химических связей. Он даже определил некоторые частоты Раман-спектра для веществ со схожим запахом. Так, частота пика комбинационного рассеяния всех меркаптанов (вещества, молекулы которых содержат концевую сероводородную связь) находится в диапазоне 2567–2580. Для всех этих веществ характерен запах протухших яиц.

В рамках теории Дайсона по крайней мере можно было объяснить аналитическую природу запахов, однако никто не мог даже предположить, каким образом нечто подобное рамановской спектроскопии используется в системе органов обоняния для формирования образа запаха. Для этого нам понадобился бы не только внутренний биологический спектроскоп, который бы улавливал и анализировал рассеянный свет. В первую очередь при восприятии запаха нам понадобился бы источник света.

Еще один серьезный недостаток теории Дайсона обнаружился тогда, когда стало понятно, что наши органы обоняния способны легко различать молекулы, имеющие одинаковую химическую структуру и идентичный рамановский спектр, однако при этом являются зеркальным отражением друг друга. Например, молекулу лимонена, формирующую запах апельсина, лежащего перед вами, можно назвать правосторонней молекулой. Однако существует практически идентичная по структуре молекула дипентена — левосторонняя (зеркальная) копия молекулы лимонена (рис. 5.3, на котором острые, затемненные области внизу каждой схемы обозначают углерод-углеродную связь, направленную в первом случае вниз, а в другом — вверх).

Рис. 5.3. Лимонен (а) и дипептен (б) — зеркальные изомеры с различными запахами. Молекулы различаются только направлениями нижних химических групп, которые на схеме обозначены затемненными стрелками (стрелка указывает вниз на схеме молекулы лимонена и вверх на схеме молекулы дипентена). Разумеется, молекулу дипентена можно перевернуть так, что данная химическая группа будет направлена вниз, как в молекуле лимонена, однако в этом случае двойная связь молекулы также поменяет расположение и окажется слева, а не справа, поэтому в структуре двух молекул все равно останутся различия. Подобные изомеры напоминают перчатки из одной пары

Дипентен имеет те же молекулярные связи, что и лимонен, и, соответственно, совпадает с ним в показателях рамановского спектра, однако он сильно отличается от лимонена резким скипидарным запахом. Молекулы, имеющие зеркальные отражения, называются хиральными[71]. В большинстве случаев они имеют разные запахи. Свойством хиральности обладает также карвон — природное вещество, содержащееся в семенах укропа и тмина. Карвон имеет тминный запах, а его зеркальный изомер — запах остролистой мяты. Два этих изомера нельзя различить методом рамановской спектроскопии, однако они легко идентифицируются по запаху. Понятно, что обоняние не может полагаться только лишь на обнаружение молекулярных колебаний.

Все эти, казалось бы, неотвратимые недостатки теории колебаний, объясняющей механизм обоняния, привели к тому, что ее надолго — практически на всю вторую половину XX столетия — затмила теория замка и ключа. Ученую общественность не расположили к ней даже усердные старания немногочисленных сторонников теории молекулярных колебаний исправить недостатки. Один из сторонников теории колебаний канадский химик Роберт Райт даже предложил потенциальное решение головоломки с зеркальными изомерами, имеющими различные запахи. Он высказал предположение о том, что сами обонятельные рецепторы обладают свойством хиральности (имеют лево- и правосторонние формы). Молекулу запаха может захватить рецептор с лево- или правосторонним строением, и в зависимости от этого колебания молекулярных связей будут восприняты по-разному. Обратимся к аналогии из мира музыки. Известно, что левша Джими Хендрикс (пусть он символизирует обонятельный рецептор) обычно играл на правосторонней гитаре (сравним ее с хиральной молекулой запаха), гриф которой был направлен вправо. Правша Эрик Клэптон играл на обычной гитаре (зеркальное отражение молекулы), гриф которой был рассчитан на левую руку[72]. Оба музыканта могли сыграть один и тот же рифф (произвести одинаковые колебания) на зеркальных гитарах, однако звук, улавливаемый микрофоном (который в нашей аналогии представляет детектор колебаний — часть обонятельного рецептора), установленным, скажем, слева от музыкантов, будет различным. Отличия будут обусловлены тем, что струны двух гитар (то есть молекулярные связи) по-разному расположены относительно микрофона. Райт предположил, что хиральные обонятельные рецепторы реагируют на частоту колебаний химических связей только в том случае, если химические связи находятся в подходящем для рецептора положении: он утверждал, что рецепторы бывают левшами и правшами, как и гитаристы. И все же теория колебаний осталась на периферии науки, так и не объяснив механизм работы биологического детектора колебаний химических связей.