Włoski naukowiec Luca Turin zainspirowany złożonymi aromatami perfum opracował i doświadczalnie udowodnił teorię, którą streścić można w trzech słowach: zapach jest wibracją.
Rzecz niezwykła, jak mało wciąż wiemy o funkcjonowaniu zmysłu powonienia. Co do wzroku i słuchu naukowcy zgodnie wskazują na falowy, wibracyjny fundament tych doznań. Obraz jest wywoływany przez falę świetlną, a dźwięk przez drgania powietrza. O naturę zapachu specjaliści wciąż się sprzeczają. Tradycjonaliści uważają, że cząsteczki zapachowe trafiają w nosie do odpowiednich receptorów, tak jak klucz trafia do zamka. Ale są też badacze, którzy twierdzą, że węch, podobnie jak wzrok i słuch, bazuje na drganiach. Co tam jednak w nosie drga? I jak te wibracje są wychwytywane? O tym najlepiej opowie nam główny zwolennik tej hipotezy, rozkochany w perfumach enfant terrible biofizyki – Luca Turin.
Pośledni zmysł
Jeśli chcemy zacząć wszystko od początku, musimy cofnąć się około 4 mln lat wstecz. Wtedy właśnie australopitek, w ramach uczłowieczania się, zaczął chodzić na dwóch nogach i – jak można przypuszczać – utracił w dużej mierze ostrość powonienia, tak przydatną, gdy jeszcze szorował nosem po poszyciu. W dalszym toku ewolucji straciliśmy też funkcjonalność narządu lemieszowo-nosowego, w świecie zwierząt odpowiedzialnego za rozpoznawanie feromonów, czyli sygnałów strachu lub gotowości seksualnej. Gdyby nie ewolucja, życie mogłoby być o wiele prostsze…
Greccy filozofowie przyrody przypisywali węchowi rolę poślednią. Słuch, wskazywali, pozwala doświadczać harmonii. Wzrok, dzięki któremu cieszymy się światłem, widokiem nieba, słońca i gwiazd, zaprasza nas do świata idei. Węch uznawali za zmysł raczej zwierzęcy.
Nowoczesna nauka jak gdyby odziedziczyła ten lekceważący stosunek do powonienia. Utrwalił go na dobre francuski chirurg i anatom Paul Broca. W 1879 r. ogłosił on wyniki swoich badań, z których wynikało, że opuszka węchowa, czyli część układu nerwowego odpowiadająca za doznawanie zapachów, jest u człowieka wyjątkowo mała – w porównaniu z wielkością mózgu. Z tego wywnioskował, że węch jest dla człowieka zmysłem znacznie mniej istotnym niż dla psa, kota lub myszy.
Niedługo potem, w roku 1894, niemiecki uczony Emil Fischer przedstawił swoją teorię mechanizmu odczuwania zapachów, do dziś bardzo rozpowszechnioną, zwaną teorią „zamka i klucza”. Według niej cząsteczka zapachowa trafia do receptora o odpowiadającym jej kształcie, co wywołuje impuls i przesłanie informacji do opuszki węchowej, a z niej do mózgu. Podobną komplementarnością struktur, zwaną również układem „gość/gospodarz”, wyjaśnia się dziś wiele innych zjawisk w ludzkim organizmie, np. działanie przeciwciał i antygenów. Ta analogia przydaje teorii prawdopodobieństwa, choć nie wyjaśnia bardzo poważnych wątpliwości.
Kształt czy wibracja?
W świetle tej teorii trudno choćby wytłumaczyć, dlaczego cząsteczki o bardzo podobnej budowie mogą wywoływać wrażenie zupełnie innego zapachu. Nad tą kwestią zastanawiał się m.in. Malcolm Dyson, szkocki chemik, który w okopach pierwszej wojny światowej odczuł, jak ważne jest rozpoznanie zapachu musztardy (świadczącego o ataku iperytem) czy odoru stęchłego siana (charakterystycznego dla fosgenu – innego śmiercionośnego gazu bojowego). Te osobiste doświadczenia odbiły się na stanie jego zdrowia, ale też zachęciły do badań. Dyson odkrył, że odoranty o podobnym zapachu (grupy zapachowe) mogą mieć bardzo różne kształty, lecz zawierają te same zestawy atomów. I tak, dla różnych związków o zapachu piżma zaobserwował występowanie grupy złożonej z węgla i tlenu połączonych podwójnym wiązaniem (C=O). To skłoniło go do wysunięcia teorii, że za zapach odpowiedzialny jest nie kształt całej cząsteczki, tylko drgania jej wiązań.
Mniej więcej w tym samym czasie (a jesteśmy w latach 20. XX w.) Europę odwiedził hinduski fizyk Chandrasekhara Venkata Raman. Opalizujący lazur Morza Śródziemnego naprowadził go na myśl o nieelastycznych odbiciach fotonów, które część swojej energii rozpraszają, powodując drganie cząsteczek, czyli opalizację morskiej toni. Dyson – zainspirowany odkryciem Ramana – wysunął tezę, że nos jest swego rodzaju spektrometrem ramenowskim, czyli aparatem odczytującym skład chemiczny na podstawie długości fali emitowanej przez wzbudzoną cząsteczkę. Była to przełomowa hipoteza, ale temat został jedynie „niuchnięty”, bo nowa teoria nie tłumaczyła, jak nos miałby właściwie te drgania odczytywać.
Aby to wyjaśnić, trzeba było czekać do lat 80., kiedy to swoje badania ogłosił Luca Turin, rozkochany w perfumach enfant terrible nauki.
Skaczące elektrony
„Zapach pozostaje zaskoczeniem. Perfumy, tak jak ton głosu, mogą wyrażać co innego niż wypowiadane słowa. Nombre Noir mówią »kwiat«, ale sposób, w jaki to wypowiadają, jest objawieniem. Sercu zapachu, czyli czemuś pomiędzy różą a fiołkiem, choć bez cienia słodyczy żadnego z nich, przeciwstawiona jest ascetyczna, niemal boska nuta cedru pudełka po cygarach. Jednocześnie zapach nie jest wytrawny, zdaje się raczej opalizować płynną świeżością, która przybiera głęboki kolor światła witrażu […]”. To opis wonnego objawienia, jakiego doznał młody Luca Turin w paryskiej Galeries Lafayette podczas premiery perfum Nombre Noir. Właśnie to doznanie kazało mu zająć się na poważnie naturą zapachu.
Skłaniający się ku teorii wibracyjnej Luca natrafił na opis techniki analitycznej IETS, czyli spektroskopii nieelastycznego tunelowania elektronu. Wykorzystuje ona zachodzące w świecie kwantowym zjawisko zwane tunelowaniem, czyli zdolność elektronu do „rozpłynięcia się” podczas przenikania bariery energetycznej i pojawienia się po jej drugiej stronie. Podczas badania IETS umieszcza się dwie metalowe płytki bardzo blisko siebie. Gdy przykłada się napięcie do płytki naładowanej ujemnie (zwanej donorem), zbierają się na niej elektrony, które przyciągane są przez płytkę o ładunku dodatnim (akceptor). W świecie fizyki klasycznej elektrony nie mają wystarczającej energii, by dokonać skoku pomiędzy płytkami, ale jako że są obiektami kwantowymi, mogą tunelować od donora do akceptora. Jest to tunelowanie elastyczne – jeśli elektrony nie tracą i nie zyskują energii w wyniku skoku. Jednak może się też zdarzyć, że po stronie akceptora elektron pojawi się z mniejszą energią – i takie tunelowanie nazywamy nieelastycznym. Wtedy między płytkami musi się znaleźć jakiś związek, który tę różnicę energetyczną przejmie.
Turin uważa, że takie zjawisko zachodzi w receptorze węchowym. W położeniu donora występuje elektron w molekule receptora i gdy zbliży się do niego akceptor w postaci odorantu o odpowiedniej wibracji, elektron tuneluje, a zrzucona nadwyżka energii uaktywnia białko, które powoduje wysłanie przez neuron informacji.
Swoją teorię Turin potwierdził serią eksperymentów, w których modyfikował cząsteczki zapachowe, nie zmieniając ich kształtu. Dokonywał tego poprzez zastąpienie wodoru jego cięższą postacią – deuterem, w którego jądrze oprócz protonu jest również neutron, przez co atom jest cięższy i oscyluje w niższych częstotliwościach. Ta pozornie nieistotna podmiana skutkowała zmianą odczuwanego zapachu.
Turin sprawdził także poprawność swoich założeń w drugą stronę. Oto, jak tego dokonał: tiole, grupa związków zawierająca grupę –SH (gdzie S oznacza siarkę, a H wodór), mają charakterystyczną woń, którą Tytus de Zoo z komiksu Papcia Chmiela opiewał w wierszyku: „Zgniłe jajeczko wlać bez skorupki, czosnek, cebulę razem do kupki”. Wiedząc, że wiązanie siarki i wodoru wibruje z podobną częstotliwością co wiązanie boru z wodorem, Turin przewidział, że związek zwany dekaboranem też będzie wydzielał podobną woń. I tak w istocie było. Eksperyment ten to pierwszy przypadek, kiedy na podstawie budowy odgadnięto zapach molekuły, czyli dokonano czegoś, z czym przemysł perfumiarski zmagał się od lat, w ciemno produkując molekuły i post factum badając ich zapachy (mniejsza o to, że aromat w tym akurat przypadku nie był zbyt atrakcyjny).
Aromaty w labiryncie
Teoria Turina wywołała w środowisku naukowym falę krytyki. Gdy pytałem jej autora o powód tak zdecydowanego oporu, tłumaczył, że poza powszechną nawet w świecie nauki niechęcią wobec nowości (sic!), jego tezy balansujące na granicy fizyki i biologii wywołują dodatkowo mieszankę niezrozumienia i wrogości.
Na pewno nie pomogło też Turinowi to, że wielkimi orędownikami tradycyjnej koncepcji „zamka i klucza” byli Richard Axel i Linda Buck, najbardziej utytułowani z badaczy zmysłu powonienia, odkrywcy genów kodujących białka receptorów węchowych i laureaci Nagrody Nobla.
Można jeszcze dodać (o czym mi już Turin nie powiedział, ale jest to fakt powszechnie znany), że Włoch od początku swojej kariery wykazywał wyjątkowy talent do wchodzenia w konflikty ze środowiskiem naukowym.
Jako 27-latek przeprowadził się z Londynu do Nicei – Francja na początku lat 80. dużo inwestowała w naukę i tamtejsze instytuty przyciągały zdolnych adeptów. Miasto miało również tę zaletę, że dzięki bliskości Grasse, centrum przemysłu zapachowego, obfitowało w stare drogerie, w których Turin mógł wzbogacać swoją kolekcję unikatowych perfum o zapomnianych zapachach.
Idylla skończyła się szybko, gdy jako młody pracownik CNRS, czyli francuskiego Krajowego Centrum Badań Naukowych, oskarżył szefa swojego zespołu o fałszowanie badań, co – mimo że po latach zostało potwierdzone – nadało mu status persona non grata w środowisku naukowym nad Sekwaną. Turin potrafił też w wywiadach atakować tak prominentny ośrodek jak MIT (Massachusetts Institute of Technology), którego był wieloletnim pracownikiem, oskarżając jego kierownictwo o rabunkową politykę podziału grantów naukowych.
Mimo swojego trudnego charakteru Włoch zyskiwał i zwolenników, takich jak Efthimios Skoulakis z greckiego Instytutu Fleminga. Badacz ten przeprowadził sprytny eksperyment na muszkach owocówkach. Zamknął owady w labiryncie, do którego z jednej strony pompował acetofenon – związek znany z dusząco słodkiego aromatu głogu czy też suszonych róż. Muszki nieodmiennie tam kierowały swój lot, zainteresowane zapachem. W następnych etapach doświadczenia acetofenon pozostawał w jednym ramieniu, a w drugim w kolejnych próbach podstawiono zmanipulowaną wersję tego związku z, kolejno, trzema, pięcioma i ośmioma atomami wodoru zastąpionymi deuterem. Przy próbie z trzema deuterami muszki były zdezorientowane – różnica w zapachu była minimalna. Wystarczyło jednak pięć, a tym bardziej osiem deuterów, by muszki orientowały się w oszustwie i kierowały do oryginalnego acetofenonu, nieskuszone zmanipulowaną wersją.
Turin przeprowadził również eksperyment na sobie. Zamknął się w laboratorium ze zdeuterowaną wersją acetofenonu i po kilku głębszych wdechach z zadowoleniem skonstatował, że – zgodnie z jego przypuszczeniem – cząsteczka o zmienionej wibracji daje inny zapach: „mniej słodki, bardziej podobny do rozpuszczalnika”.
Jednak doświadczenie przeprowadzone na jednej osobie, i to żywotnie zainteresowanej wynikami, jest w świetle metody naukowej niewystarczające. Nic dziwnego, że Leslie Vosshall i Andreas Keller z Rockefeller University powtórzyli powyższy eksperyment, tym razem zapraszając do udziału w nim 24 wolontariuszy. Opublikowane w „Nature Neuroscience” wyniki mówiły jasno: żaden z obywateli nie dostrzegł różnicy w zapachu.
Było to poważnym ciosem dla teorii Turina, ale niepokorny Włoch się nie poddawał. W 2012 r. przeprowadził w University College w Londynie taki sam test z grupą 11 śmiałków. Żaden z uczestników nie rozpoznał zmienionego acetofenonu, co potwierdzało ustalenia Vosshall i Kellera. Turin miał jednak w zanadrzu inną molekułę, w której zamienił na deuter nie osiem, ale 28 atomów wodoru. Tym razem znakomita większość badanych potwierdziła zmianę zapachu.
Na styku światów
Zastosowanie zdobyczy mechaniki kwantowej na polu biologii podsumowuje niezwykle ciekawa książka brytyjskich fizyków Jima Al-Khaliliego i Johnjoego McFaddena Życie na krawędzi. Era kwantowej biologii. Jej autorzy dowodzą, że główną przeszkodą w zaakceptowaniu kwantowej strony życia jest szczególna cecha kwantowych zdarzeń. Zwykła gumowa piłka, o ile nie toczy się wystarczająco szybko, nie przeturla się na drugą stronę wzniesienia. A elektron, jak widzieliśmy, zdolny jest czasem do podobnego wyczynu – to właśnie jest wspomniane wcześniej tunelowanie. W świecie makroskopowym takie cuda nie zachodzą, o czym przekonał się każdy, kto próbował tunelować się głową przez ścianę.
Jak jednak dowodzą autorzy przywołanej książki, na granicy tych dwóch rzeczywistości istnieją szczeliny, w których kwantowa mechanika ma wpływ na procesy życiowe. Tymi zdarzeniami zajmuje się biologia kwantowa, względnie młoda nauka, której początek datuje się na koniec lat 90. (kiedy to został odkryty kwantowy kompas, jakim posługują się ptaki, nawigując w swojej międzykontynentalnej podróży).
W teorii Luki Turina elektron zostaje zaprzęgnięty do rozpoznania ulotnej, ale jednak materialnej rzeczywistości aromatu. Koncepcja ta doczekała się zresztą syntezy z teorią „zamka i klucza”. W tej pośredniej wersji kształt, czy raczej wielkość, odorantu odpowiada już tylko za intensywność zapachu. A sama dyskusja nad zasadą funkcjonowania nosa przeniosła się na pole filozofii nauki, ukazując konserwatyzm środowiska przywiązanego do pewnej tradycji, czasem nawet wbrew empirycznym dowodom. Czy nauka szukająca nowych rozwiązań, a jednocześnie ufająca w swoje dotychczasowe zdobycze i ugruntowane instytucje nie przypomina czasem Gogolowskiego asesora kolegialnego Kowalewa ścigającego swój nos?
Czytaj również:
