У людей насчитывается примерно 350 типов обонятельных рецепторных белков11, причем каждый обонятельный нейрон несет белок только одного типа. Вместе с тем число различаемых нами запахов намного больше 350 — большинство людей способны чувствовать запахи многих тысяч веществ и зачастую очень тонко. «Хороший нос», например нос эксперта-парфюмера или сомелье, еще более чувствителен. Это говорит о том, что за восприятие конкретного запаха отвечает не специальный рецептор. Считается, что каждый рецептор распознает целый класс молекул (или конкретных характеристик молекул), что одно пахучее вещество может присоединяться к нескольким рецепторам и что различать запахи нам позволяет стимулирование определенных комбинаций рецепторов. Подобно буквам алфавита, из которых складывается огромное количество слов, различные сочетания обонятельных рецепторов дают море чистых запахов. Ароматы еще более сложны и разнообразны, поскольку они складываются из множества разных запахов.
Широко распространено мнение, что у людей плохое обоняние. Однако тесты показывают, что некоторые запахи мы воспринимаем почти так же хорошо, как и собаки, и намного лучше, чем крысы, и что мы легко превосходим высокочувствительные измерительные приборы. Одна из причин, по которым обоняние человека считается плохим, заключается в том, что наши носы, когда мы пребываем в вертикальном положении, находятся далеко от земли, а запахи наиболее сильны у ее поверхности и быстро рассеиваются воздушными потоками, стоит только приподняться повыше. Это хорошо видно, когда собака-ищейка идет по следу. Кроме того, несмотря на способность распознавать множество ароматов, большинство из нас не слишком хорошо умеют передавать различия словами. Так или иначе, мы справляемся с такой сложной задачей, как идентификация вина, и любой из нас без труда различит запахи апельсина и лимона, которые являются просто зеркальными формами одной и той же молекулы — лимонена[29].
Когда вы нюхаете розу, ее аромат переносится к обонятельному эпителию, где множество химических веществ, составляющих запах, присоединяются к рецепторам различных групп обонятельных нейронов. Каким именно образом пахучие вещества стимулируют соответствующие рецепторы, до сих пор неясно, по всей видимости, все определяется размерами и формой молекул. По одной из концепций они соединяются с рецептором по типу «ключ-замок». Точно так же, как правая перчатка подходит только для правой руки, «правые» молекулы присоединяются только к «правым» рецепторам. Это объясняет, почему апельсин и лимон (которые содержат «левые» и «правые» версии лимонена) пахнут по-разному. Присоединение пахучего вещества к его рецептору инициирует каскад событий в нейроне, который ведет к открытию ионного канала определенного типа — родственного тому, что имеется в палочках и колбочках, но с некоторыми отличиями — и возникновению тока, порождающего, в свою очередь, поток потенциалов действия в самом обонятельном нейроне. Эти импульсы проходят по обонятельному нерву к той области головного мозга, которая называется обонятельной луковицей, где они передаются другим нервным клеткам в более глубоких областях мозга. Одной из них является лимбическая система, которая участвует в регулировании эмоциональных реакций организма, именно поэтому запахи могут вызывать сильные эмоции и воспоминания.
Волокна обонятельных нервов тянутся из носа в головной мозг через отверстия в решетчатой пластинке черепа. В результате сильный удар по голове может вызвать сдвиг нервов относительно черепа и прекращение или нарушение нервных процессов, что обычно приводит к необратимой потере обоняния, а поскольку обоняние и вкус тесно взаимосвязаны, еще и к потере вкуса.
Обонятельные нейроны с различными типами рецепторов распределены в обонятельном эпителии случайным образом. В мозге, однако, они группируются так, что клетки, связанные с рецепторами одного типа, сходятся в одном и том же месте. Обонятельные нейроны в отличие от других нервных клеток обновляются очень быстро. Каждый из них живет всего около 60 дней, после чего заменяется новым нейроном, который развивается из обонятельной стволовой клетки. Чтобы сохранить свою локализацию в мозге, новые нервные клетки, несущие тот же тип рецепторов, должны всегда занимать одно и то же место в обонятельном эпителии. Как происходит это сложное восстановление связей, остается загадкой. Король фруктов
Как и в случае большинства других ощущений, постоянное воздействие запаха вызывает постепенное привыкание к нему и потерю способности воспринимать. Большинство людей не замечают запаха собственного тела и даже духов, которыми пользуются некоторое время. Однако одни запахи теряются медленнее, чем другие. Дуриан почитают в Юго-Восточной Азии как самый изысканный фрукт. Он также является самым вонючим — настолько вонючим, что его запрещают провозить в самолетах и приносить в гостиницы. Как-то раз я увидела дуриан на китайском рынке в Лондоне и, зная о его репутации короля фруктов, купила и повезла на поезде в Оксфорд. Поездка длилась всего час, но за это время набитый вагон опустел из-за запаха дуриана, который распространялся из моей сумки. К станции я подъезжала в одиночестве. Запах был невыносимым — непередаваемая смесь ароматов давно не стираных носков и протухшей еды оказалась настолько отвратительной, что я не решилась принести дуриан домой и оставила его в лаборатории. На следующее утро, придя на работу, я выскочила из кабинета ошарашенная невыносимым зловонием. Первоначально я хотела попробовать этот фрукт на вкус в обеденный перерыв, но запах распространился по коридору и проник в вестибюль. Кругом стали интересоваться: «Что за подозрительный запах?» Нужно было что-то срочно делать. Вы можете спросить: действительно ли этот фрукт так вкусен? Увы, его вкус запомнился мне намного меньше, чем ужасная вонь, да к тому же он был не особенно приятным. Я не одинока. Французский натуралист Анри Муо заметил, «когда я попробовал его впервые, он показался мне похожим на протухшее мясо какого-то животного». Да, с таким вкусом стоило познакомиться. Прикосновение
Осязание — способность чувствовать нежные прикосновения любимого человека, дуновение ветерка и объятия, от которых кости трещат, — играет важную роль в нашей жизни. Органы чувств в коже отвечают на механическое воздействие изменением электрического потенциала, которое инициирует генерирование нервных импульсов, несущих информацию в спинной и головной мозг. Как и в других чувствительных нервах, частота импульсов варьирует в зависимости от силы стимула — легкие прикосновения порождают меньше импульсов, чем сильные. Осязательные рецепторы также адаптируются к постоянному стимулированию, поэтому мы не замечаем давления одежды, которую носим.
Как в точности механическая энергия преобразуется в электрическую, остается загадкой, но совершенно ясно, что в этом процессе участвуют механочувствительные ионные каналы. Последние исследования показывают, что эти каналы связаны с внешней поверхностью клетки с помощью воротной тяги, похожей на ту, что существует в волосковых клетках уха. По всей видимости, надавливание на мембрану клетки вызывает натяжение тяги и искажение структуры канала, в результате чего он открывается. Чем больше деформируется мембрана, тем больше активируется канал и тем сильнее возбуждается нерв. Иногда нервные окончания, чувствительные к механическому воздействию, группируются в особые структуры, которые повышают их способность реагировать на изменения давления или колебания, подобные тем, что возникают, когда вы проводите пальцами по неровной поверхности. Конечный результат всегда один: механический стимул вызывает повышение частоты потенциалов действия в чувствительном нерве. Некоторые любят погорячее
Наша кожа содержит рецепторы, чувствительные не только к давлению, но и к температуре и болевым раздражителям. Попробуйте откусить немного перца чили хабанеро, и он разорвется у вас во рту как зажигательная бомба. Жгучую боль вызывает химическое вещество капсаицин, которое содержится в разной концентрации во всех жгучих перцах. В 1912 г. Уилбур Сковилл составил шкалу силы перцев чили, определяя, насколько нужно разбавить экстракт перца, чтобы жгучий вкус перестал ощущаться кончиком языка. На шкале Сковилла сладкий болгарский перец занимает позицию ниже одной единицы, перец халапеньо находится на уровне 2500–5000 единиц, а знаменитый огненный Бхут Джолокия (Bhut Jolokia) — выше миллиона. Сила перцовых спреев, используемых для отпугивания медведей гризли и слонов, а также для защиты от злоумышленников, может быть еще больше: боевой перцовый спрей, находящийся на вооружении индийской армии, находится уровне двух миллионов единиц по шкале Сковилла.
Когда Майк Кейтерина и Дэвид Джулиус впервые выделили капсаициновый рецептор, оказалось, что это ионный канал. Присоединение капсаицина открывало пору и стимулировало электрическую активность чувствительного нерва. Канал открывался также при опасном нагревании. Перец чили вызывает ощущение жара потому, что он открывает чувствительный к нагреву ионный канал, и головной мозг, неспособный различить два раздражителя, интерпретирует действие обоих как жар. Такие каналы имеются не только на языке, они также присутствуют на коже пальцев, лица и других чувствительных частях тела — тот несчастный, который резал перец чили, очень быстро понимает, что он забыл помыть руки перед тем, как посетить туалет. В отличие от людей птицы нечувствительны к чили, поскольку их каналы мутировали и потеряли восприимчивость к капсаицину. Это идет на пользу растению — ведь его семена разносятся дикими птицами. Размолотый чили рекомендуют добавлять в корм для птиц — он отпугивает белок.
Если чили стимулирует тепловые рецепторы, то некоторые химические вещества взаимодействуют с рецепторами, чувствительными к холоду, заставляя организм воспринимать их как прохладные. Ментол, входящий в состав масла мяты, имеет мятный, свежий вкус потому, что он активирует ионный канал, реагирующий на низкую температуру. Этот канал структурно очень похож на капсаициновый рецептор, и сегодня нам известно, что существует целое семейство подобных каналов, так называемых TRP-каналов, каждый из которых реагирует на свой диапазон температур. Многие из этих каналов также чувствительны к едким или причиняющим боль химическим веществам — не просто к капсаицину, но и к таким субстанциям, как васаби (японский хрен), горчица, чеснок и камфора.
У некоторых змей термочувствительные TRP-каналы образуют нечто вроде естественного тепловизора, позволяющего им чувствовать тепло организма добычи, следить за ее движениями и хватать без промаха даже в темноте. Гремучие, или ямкоголовые, змеи обладают непревзойденной чувствительностью к инфракрасному излучению и способны реагировать на перепад температуры всего в 0,01 °С. Они имеют два исключительно чувствительных к теплу органа, так называемые термочувствительные ямки, расположенные на голове по бокам. Этот орган представляет собой полусферическую, отрытую наружу ямку, в которой находится тонкая термочувствительная мембрана. Отростки чувствительного нерва разветвляются по всей мембране, а их кончики усыпаны TRP-каналами, вернее, их разновидностью, обозначаемой как TRPA1, которые выполняют роль датчиков температуры12. Как предполагается, тепловое излучение активирует TRPA1-каналы, возбуждая чувствительный нерв и предупреждая змею о том, что рядом добыча или хищник. Летучие мыши-вампиры тоже используют TRP-каналы для обнаружения теплокровной добычи. Эти каналы находятся у летучих мышей в термочувствительных органах, расположенных вокруг носа.
TRP-каналы, однако, позволяют реагировать не только на температуру. Те из них, которые чувствительны к экстремальным температурам, служат также болевыми рецепторами и при стимулировании вызывают чувство боли. Этим объясняется причина, по которой трудно отличить воздействие сильного жара от воздействия сильного холода, т.е. прикосновение к огню от прикосновения ко льду. И в том, и в другом случае мы чувствуем только боль. Как красноречиво выразился Шелли, «сияющие оковы впивались своим обжигающим холодом в мои кости». Эта ужасная боль
Боль может быть чрезвычайно полезной — это ценный сигнализатор, предупреждающий об опасности. Она говорит нам, что сковорода горячая, что нога попала в костер, что нагрузка слишком велика и могут разорваться мышцы, что мы простудились или поранились. Без нее можно обгореть, не заметить гноящейся раны или продолжать ходить со сломанной ногой, еще больше повреждая ее. Распространенный побочный эффект диабета — потеря чувствительности ног. Как следствие мозоли, нарывы и небольшие ранки могут оставаться незамеченными, приводить к заражению и в конечном итоге к ампутации больной ноги.
Помимо TRP-каналов в восприятии боли участвует один из десяти видов натриевых каналов человека. У некоторых людей этот канал, известный как Nav1.7, не работает. В результате их болевые нервные волокна не могут передавать потенциалы действия, и они не чувствуют боли, хотя осязание, чувствительность к температуре и давлению остаются совершенно нормальными. Такая патология — не подарок, поскольку боль нужна нам как сигнал опасности, а без функционирующих каналов Nav1.7 ушибы и переломы конечностей могут остаться незамеченными. Роль канала Nav1.7 в восприятии боли ученые выяснили в процессе обследования семьи пакистанского мальчика, который зарабатывал на жизнь уличными представлениями, где он пронзал свои руки ножом и ходил голыми ногами по горячим углям. На свое четырнадцатилетие он спрыгнул с крыши дома, чтобы доказать свою «крутизну», и умер от полученных травм. К счастью, боли он не чувствовал.
Не менее опасна другая патология натриевых каналов Nav1.7, при которой каналы остаются постоянно активированными. Такую патологию называют эритромелалгией, и она передается по наследству. Люди с таким заболеванием страдают от приступов сильной изнурительной боли, сопровождающейся покраснением и жжением рук и ног. По их словам, они чувствуют, будто горячая лава заливает тело, будто им приходится идти по горящим углям или раскаленному песку. Приступы провоцируются теплой погодой, физической нагрузкой, использованием одеяла в постели. Многие больные не могут носить обувь из-за боли. По всей видимости, канал Nav1.7 работает как усилитель боли: его чрезмерно высокая активность приводит к постоянной боли, чрезмерно низкая активность — к постоянной анестезии. Любопытно, что вариант гена Nav1.7 определяет болевой порог и является причиной того, что один и тот же раздражитель у одних людей вызывает более сильную боль, чем у других.
Любая боль идет от головного мозга. Это мозг получает сигналы от нервных волокон и говорит, что вы повредили, скажем, ногу. В генерировании болевого ощущения участвуют многие области мозга, они определяют, где болит, как сильно болит и какая эта боль — резкая, жгучая или тупая. Наше восприятие боли очень разнообразно. Даже когда входной сигнал от окончаний чувствительного нерва один и тот же, процесс его обработки сильно зависит от концентрации нашего внимания, настроения и ожиданий и может давать совершенно разный результат. Позитивный эмоциональный настрой способен превратить плацебо в эффективное обезболивающее, хотя в нем нет никаких активных ингредиентов, а страх перед болью может усилить ее.
Главной проблемой боли является то, что, получив ее сигнал, мы не можем отключить его. Еще хуже то, что у некоторых несчастных боль остается даже после того, как организм выздоровел. Подобная хроническая боль — очень распространенное явление, ее испытывают 15% взрослых. Она может отравить и разрушить жизнь. Миллионы долларов тратятся ежегодно на болеутоляющие средства, но многие из них не слишком эффективны, а некоторые, например производные опиума, вызывают привыкание. Нам очень нужны более действенные средства, особенно для борьбы с хронической болью, которая нередко не снимается существующими лекарствами. Поскольку каналы Nav1.7 в основном сконцентрированы в болевых нейронах, лекарственное средство, специфически блокирующее их, возможно позволит устранять боль без побочных эффектов. Какое облегчение
В детском возрасте я ненавидела визиты к стоматологу, которые ассоциировались с болью. С тех пор все изменилось. Современная стоматология совершенно преобразилась с появлением новых и более эффективных средств местной анестезии. Даже удаление нерва из корневого канала проходит безболезненно — самое худшее, что чувствуешь, это боль от укола, да и она притупляется нанесением поверхностного анестетика. Большинство препаратов для местной анестезии блокируют натриевые каналы, предотвращая передачу нервных импульсов от окончаний зубного нерва к головному мозгу. Стоматологи обычно предпочитают лидокаин из-за его быстродействия. Недостаток подобных средств, однако, заключается в том, что они не ограничиваются подавлением электрической активности болевых волокон, а влияют также на другие чувствительные и двигательные нервы, так что на протяжении нескольких часов после визита к стоматологу приходится мириться с кривой улыбкой и онемением челюстей. Что хотелось бы получить, так это специфический для чувствительных нервов анестетик.
Одним из путей достижения этого является идентификация типов ионных каналов, специфических для чувствительных нервов, и подбор препарата, который избирательно блокирует их. В настоящее время наилучшим объектом воздействия кажется канал Nav1.7, и целый ряд фармацевтических компаний занимаются поиском специфического для него ингибитора. Это не так просто, поскольку препарат должен, помимо прочего, проникать через оболочку нерва, не очень быстро разрушаться в организме и предпочтительно сохранять активность при приеме через рот. Разработка нового лекарства, кроме того, процесс длительный и чрезвычайно дорогой. В результате приходится ждать и надеяться, что когда-нибудь все же не придется покидать кабинет стоматолога с замороженной челюстью. Все чувства в голове