嗅覺是如何運作的?如今,關於這個問題,科學家們分成了兩個相互競爭的陣營。而更具爭議的理論剛剛獲得了重要的新的實驗證實。
爭議的焦點在於我們的鼻子是否使用精密的量子機制來感知氣味分子(又稱氣味劑)的振動。換句話說,鼻子是否透過像“敲鐘”一樣“振動”來讀取神秘氣味劑的化學成分——比如,一陣香水味或枯萎生菜的氣味?化學和法醫實驗室經常使用光譜儀進行這種操作——光譜儀將紅外光反射到神秘物質上,以揭示光引起的明顯的振動。根據氣味振動理論,嗅覺可能使用微小的電子流而不是紅外光子來做同樣的事情(請參閱之前關於振動理論的報道 這裡)。
當今占主導地位的氣味理論認為:不可能。它認為,世界上數百萬種不同的氣味劑更像是拼圖碎片。我們的鼻子包含許多不同型別的受體,每種受體都傾向於與特定型別的碎片結合。因此,當一個設定為與稱為檸檬烯的分子結合的受體發現該化合物時,它會向我們的大腦傳送訊號,這就是柑橘氣味背後的線索之一。同樣,同樣的受體不會與硫化氫結合——硫化氫聞起來像臭雞蛋。
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因此,標準理論的倡導者認為,受體和氣味劑之間熟悉的化學相互作用足以解釋嗅覺。不需要花哨的量子振動理論。
然而,這裡有一個轉折:氣味分子通常含有許多氫原子。而氫有多種形式,每種形式在化學上都非常相似。但是,氫的這些不同同位素確實會強烈影響分子的振動方式。因此,含有氫核(既有質子又有中子)的氘(而不是隻有質子的普通氫),可能有助於科學家區分所提出的振動理論和標準的化學結合嗅覺理論。
根據今天發表在PLoSONE上的新研究,人類的鼻子至少可以嗅出某些型別的氘的存在。具體來說,實驗者發現,常規的麝香分子與含有氘的麝香分子聞起來不同。希臘亞歷山大·弗萊明生物醫學科學研究中心的Luca Turin研究員說,“氘化”麝香失去了大部分的麝香氣味,反而帶有一些燃燒蠟燭的餘味。
Turin說,這一發現代表了振動理論的勝利。而且,他補充說,當你考慮到我們嗅覺能力的目的時,這是有道理的——無論其機制如何。自然界包含數百萬種分子。有些對我們有益,有些則有害。鼻子有助於區分它們。Turin說:“嗅覺試影像一個分析化學家。”“它試圖識別未知物。”化學家使用光譜儀識別未知物。根據振動理論,嗅覺受體就像微小的溼件光譜儀。
Turin的論據中,還有2011年在《美國國家科學院院刊》上的一項發現,該發現表明,果蠅也可以聞出一種名為苯乙酮(對人類來說聞起來是甜的)的分子與其氘化表親之間的差異。
紐約州奧爾巴尼大學的化學教授埃裡克·布洛克說,這都很好。但是,他說,這幾乎不能證明振動理論,該理論面臨一些相反的證據。例如,他指出,Turin曾經聲稱人類,像果蠅一樣,可以從普通物質中嗅出氘化版本的苯乙酮分子,但是在2004年,《自然神經科學》發表了一個相反的主張,即人類的鼻子聞不出苯乙酮中氘的存在(《大眾科學》是自然出版集團的一部分)。而且,Turin本人在他的新論文中說,他已經證實了2004年的否定發現,儘管他認為他對失敗有解釋:氘化苯乙酮中氘的含量相對較少,因此可能會產生微弱的振動訊號,該訊號對於人類來說太弱而無法檢測到。布洛克說,Turin不能兩者兼顧:要麼鼻子可以聞到氘,要麼不能。
同時,威爾士卡迪夫大學的嗅覺生物學家蒂姆·雅各布說,臭雞蛋的氣味是振動理論吸引力的一個很好的例子。硫是腐爛有機物的化學標誌,這對我們來說是危險的。他說,含有硫的分子幾乎總是聞起來很糟糕,就像進化正確地工作以有利於我們的生存一樣。
但是,硫並沒有普遍賦予每種氣味分子以單一的形狀或簡單的化學性質。另一方面,硫確實會向分子新增特徵性振動,而分子振動敏感的鼻子可能會檢測到這些振動。雅各布說:“我進行所有研究都不需要知道哪個模型最準確地描述了正在發生的事情。” 但是,他說起振動理論時,“從生物學的角度來看,它具有很大的興趣。”
這讓這場爭鬥的粉絲們繼續觀看和思考:哪一方將最終得分,獲得決定性的勝利?誰又需要聞嗅鹽?