Кто мог подозревать, что через полтора года я буду работать в лаборатории Фаерштейна в Колумбийском университете? Этот союз был заключен на небесах, я трудился у него следующие три года. Наша первая встреча закончилась в пять утра и, возможно, продолжалась бы дольше, если бы у нас был бесконечный источник энергии. После нескольких пинт пива я выяснил, что не только молекулярные механизмы запаха намного сложнее, чем думали раньше, но и не исключено, что система обоняния работает не так, как представляли на протяжении последних десятилетий! События в науке об обонянии развивались быстро настолько быстро, что можно было наблюдать, как часть истории науки создается в прямом эфире и в реальном времени. Меня это заворожило.
Появилась невероятная возможность говорить с людьми, которые формировали новую сферу исследований, проводить важнейшие эксперименты и работать в первых рядах, прорываясь к научному пониманию основополагающего вопроса: что знает нос? Чтобы передать дух времени, повествование в данной книге концентрируется вокруг записанных мною бесед с учеными, работавшими и работающими в этой области науки. Форма этих встреч с многочасовым обсуждением обоняния и его загадок в прошлом и настоящем каждый раз была разной. Это были беседы за кофе на конференциях, за пивом в баре, за лабораторным столом или по телефону. Одни длились около часа, другие по нескольку дней, с бессонными ночами и долгими автомобильными переездами. Эти записи неформальные свидетельства интеллектуальной динамики и открытости данной области исследований. Как выразился Пол Бреслин из Центра химических чувств[9] Монелла во время сороковой встречи Ассоциации хеморецептивных наук (AChemS): «В этой области нет дисциплин. Нас объединяет общий вопрос».
Создание книги, в которой звучат голоса тех людей, кто сам сформировал ее содержание, разрушает границу между научными публикациями и практикой исследовательского процесса. Это позволяет увидеть науку в действии. Представление о том, что научный метод основан на проработке гипотез, даже близко не отражает реальность, состоящую из проб и ошибок, тупиковых решений, творческих прорывов после неудач и неизвестности, а также из обсуждений, с которыми связана экспериментальная наука[10]. Скорость развития современной науки заставляет внимательнее приглядеться к изменчивой природе гипотез, объяснений, доказательств и точности.
Итак, книга не только рассказывает об обонянии, но также приглашает поразмышлять о науке в ее практическом проявлении. Традиционные представления о развитии науки основаны на знаменитой книге Томаса Куна «Структура научных революций», вышедшей в 1962 году. Идеи из этой книги повлияли на несколько поколений ученых и философов, перенявших у Куна идею о том, что рутинная научная деятельность заключается в «заполнении пробелов в данных» в рамках основных теорий своего времени пока не произойдет революция.
Но что если мы стоим прямо в авангарде научной сферы, среди открытых вопросов и современных изменений? Из лабораторных окопов можно увидеть обычную науку в другом ракурсе, подчеркивающем ее более динамичную и изыскательскую природу. Как выглядит научный прогресс вблизи, на передовой экспериментальных исследований? Именно с этого вопроса я начал работать над книгой. И подобно науке, о которой рассказывает книга, вопрос тоже начал быстро эволюционировать.
Создание «Философии запаха» побудило меня согласиться с доводом Патриции Черчленд из ее знаменитой книги 1986 года «Нейрофилософия: Если вы хотите понять разум, вы должны понять мозг»[11]. Пол Черчленд руководствовался аналогичной идеей в нейроинформатике, а Джон Бикл развивал эту концепцию в качестве психонейронной теории[12]. Нейробиология XX века произвела революцию в нашем понимании мозга как источника разума, поставила под сомнение многие традиционные философские представления о познании и его механизмах. Мы должны не встраивать научные открытия в существующие философские концепции, а делать наоборот. Какие потенциально новые философские вопросы о мозге и разуме возникают в результате впечатляющего прогресса нейробиологии? В этом контексте обоняние предоставляет замечательную возможность подвергнуть такую философскую программу дополнительным проверкам.
Из воздуха в мозг и в разум
В десяти главах книги представлена комплексная перспектива изучения обоняния, которая также позволяет рассуждать о восприятии в более общем плане.
Повествование развивается вокруг четырех основных тем: история, философия, нейробиология и психология. Эти подходы, которые редко сочетаются между собой, содержат ключи к разгадке: психологические явления это результат нейронных процессов, а их общему объяснению способствует философский взгляд, основанный в том числе на истории исследований.
Сначала мы рассмотрим развитие научного интереса к обонянию. В первой главе «История носа» речь идет о далеком прошлом от древних философов до появления в середине XX века научного сообщества, занимающегося изучением обоняния. Ранние и почти забытые результаты экспериментальных исследований обоняния отражают интересную и неизвестную историю творческого развития научного поиска. Кроме того, они подчеркивают важность ключевого элемента теорий обоняния, который как раз в них отсутствует: речь о понимании биологии сенсорного пути. Вторая глава «Современная теория обоняния: на перепутье» рассказывает о том, как обоняние стало частью общего направления нейробиологических исследований в результате открытия обонятельных рецепторов. Здесь показано состояние нашего современного научного понимания запаха и обонятельных путей в общем контексте исследований мозга, концентрирующихся вокруг изучения зрительной системы. На данном этапе возникает проблема, которая пока не разрешена: имеет ли смысл строить модель обоняния на основе нейронной карты запахов?
Чтобы это понять, необходимо ответить на важнейший вопрос: что же такое на самом деле запах? Это подводит нас к философскому взгляду на характеристики обонятельного восприятия. В следующих главах мы поговорим о том, что запах оказывает куда большее влияние на познание и поведение, чем принято считать. В третьей главе «Носовой интеллект: запахи и познание» рассмотрена роль запахов в качестве составляющих элементов разума. Восприятие запаха находится на границе между осознанным и неосознанным восприятием. Так что же такое запахи как ментальные объекты? Несет ли запах концептуальную информацию? Если это так, какой тип сущностей из окружающего мира передают запахи?
Далее в четвертой главе «Как поведение зависит от химии: аффективная природа запаха» восприятие запаха рассматривается со взаимодополняющих точек зрения биологии и социального поведения. Обоняние имеет сильный аффективный аспект. Запахи влияют на наше настроение и вызывают физиологические и эмоциональные реакции; некоторые виды обонятельного опыта создают устойчивые ассоциации с конкретными воспоминаниями. Восприятие запаха имеет множество функций, в том числе поведенческих. Как объяснить эти разнообразные эффекты?
Пятая глава «Через воздух: от носа к мозгу» предлагает разные пути для поиска ответа на этот вопрос. Обсуждение строится на примере пространственного ориентирования по запаху, объясняемого через представления о химических стимулах, физиологических процессах (как мы нюхаем), нейронной топологии[13] и субъективно воспринимаемом пространстве. Чтобы понять, каким образом запахи преобразуются в ощущения, нужно внимательнее изучить устройство обонятельной системы.
В шестой, седьмой и восьмой главах мы рассматриваем запахи с точки зрения нейробиологии. Мы проанализируем все структуры обонятельной системы от обонятельных рецепторов в обонятельной луковице вплоть до обонятельного отдела коры, где мы находим главную часть ответа на вопрос, почему обоняние противоречит современным представлениям нейробиологии, основанным на зрительной парадигме. Обонятельный сигнал приходит в зашифрованном виде настолько, что нейронная топология не имеет никакого сходства с топологией химических стимулов. И это подрывает идею, что наши ментальные процессы в том или ином виде являются отражением физических структур. Восприятие не отражает мир, оно его интерпретирует.
В частности, в шестой главе «Молекулы для восприятия» рассказывается, почему модели стимул/ответ, не учитывающие механизмы действия рецепторов, обречены на провал. Тому есть две причины. С одной стороны, обонятельные рецепторы не реагируют на свойства молекул так, как следует из законов органической химии. С другой стороны, два молекулярных механизма на уровне рецепторов расчленяют сигнал, приводя к значительной сенсорной неопределенности.
В седьмой главе «Анализируем луковицу» оспаривается традиционное представление о том, что обонятельная луковица имеет хемотопическую карту, под которой подразумевается систематическое отражение свойств химических стимулов. Анализируя эволюцию луковицы, мы развенчиваем распространенную идею, что функция луковицы определяется ее пространственным строением.
В восьмой главе «Измеряем запахи не по карте» предлагается альтернатива традиционному представлению о первичной сенсорной коре. Для этого мы ответим на вопрос: если мозг не использует карту стимулов для обработки обонятельных сигналов, какая другая модель может описать механизмы обоняния? Анализ грушевидной коры[14] и ее многочисленных связей с соседними отделами мозга позволяет в качестве варианта рассмотреть временные картины активации нейронов для классификации запахов. Вывод: обонятельный мозг гораздо больше напоминает измерительный инструмент, чем карту.
В девятой главе «Восприятие как навык» говорится о том, как новые нейробиологические данные соответствуют психологическим объяснениям перцептивного[15] обучения и мастерства. Здесь показано, что вариабельность изначально заложена в процесс восприятия запахов. То, что люди по-разному воспринимают и описывают запахи, объясняется не только субъективностью опыта. Субъективность подразумевает отсутствие объективных измерений. Однако вариабельность обонятельного восприятия связана с причинными факторами, такими как генетика рецепторов и разветвленность системы обонятельных нейронов. Наш нос настроен на то, чтобы измерять мир по шкале, созданной нашим ментальным опытом и физиологическими условиями. Эти процессы имеют объективную основу, что показано на примере экспертов в парфюмерии и виноделии. Кажущиеся странности обонятельного восприятия легко объясняются совершенствованием наблюдений и накоплением навыков, основанных на нескольких конкретных когнитивных механизмах.
Наконец, десятая глава «Вывод: нос как окно в мозг и разум» рассматривает обоняние в рамках более широкой картины, с общими теоретическими рассуждениями о восприятии и мозге.
Вопрос, как мозг руководит носом при интерпретации информации и осуществлении наилучшего выбора, интересен и очень сложен. По этой причине, хотя книга демонстрирует науку на текущем этапе, она также рассказывает о будущем. Она заканчивается там, где зарождаются новые перспективы для развития науки и философии запаха.
То, что современная наука обоняния быстро продвигается вперед, становится очевидным, когда мы сравниваем ее с тем, как нос изучали в прошлом.
Глава 1. История носа
Если бы все существующее превратилось в дым, органом познания были бы ноздри.
Гераклит
Научную биографию обоняния можно сформулировать в одном предложении: запахи всегда являли собой онтологическую проблему. В первую очередь, запахи представляли интерес для объяснения других явлений, таких как поведение животных или опыление цветов. Однако свойствам запахов как таковых не уделялось большого внимания. Характеристики обоняния трудно описать и измерить. Научные эксперименты по восприятию запахов никогда не приводили к однозначным ответам.
Исторические записи показывают, чего не хватало в наших попытках понять обоняние. По сути, они демонстрируют наши упущения. А недоставало анализа на уровне организма целостного исследования, начинающегося с сенсорной системы, придающей смысл запаху. Исторически при изучении запахов внимание обращали на предметы, источающие запах и являющиеся его материальной основой. До сих пор анализ запаха нередко начинают с характеристик физических стимулов, чтобы определить их влияния на восприятие. Эта стратегия оказалась успешной при исследовании других чувств, но в случае обоняния ее стали применять лишь интуитивно. Прошлые исследования не дали выдающихся результатов, и, возможно, пришло время пересмотреть реальные достижения этого подхода и заново оценить видение, сконцентрированное на источниках запаха, анализируя современные знания в исторической перспективе. Эти записи об исследованиях запаха также раскрывают интересную и неизвестную историю творческого научного мышления.
Древние времена
История большинства наук начинается с древних греков, и наша не исключение. Теории запаха зародились еще во времена Аристотеля и Платона, задолго до эпохи Возрождения, когда возникла современная наука. В соответствии с ранними представлениями все в мире состоит из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Эта теория, выдвинутая Эмпедоклом, объясняла весь порядок вещей. Каждому элементу соответствовало его естественное место в великом космосе, а свойства элементов определяли все сущее на земле. Огонь был сухим и жарким, воздух жарким и влажным, вода влажной и холодной, а земля холодной и сухой.
Как запахи вписывались в это видение мира? Было замечено, что запахи проделывали большое расстояние от источника до того, кто их воспринимал. Например, стервятники могут издали обнаруживать падаль. Однако не было понятно, какая материя позволяла осуществлять такую эффективную передачу. Нужна ли среда для передачи запаха? Учитывая неопределенную и невещественную природу запаха, древние философы не уделяли значительного внимания человеческому обонянию, и его обсуждение не занимало важного места в их трудах. Большинство мыслителей сходились в том, что нюх играл ключевую роль в жизни животных и второстепенную в жизни человека. Немногие рассуждения об источниках запаха сводились к двум противоположным концепциям реальности: запахи это либо частицы, либо волны.
Первые представления о запахах были атомистическими[16]. Демокрит и позднее римский философ Лукреций рассуждали о приятности запахов. Они считали, что приятные запахи вызваны округлыми частицами, а неприятные угловатыми, например, треугольными. Но на пути распространения этой идеи немедленно возникло препятствие: как объяснить, что одна и та же пахучая жидкость может вызывать разные реакции с разной степенью воздействия?
Платон обошел эту проблему. Он считал, что запахи являются результатом физического перемещения мелких частиц. Четыре элемента сами по себе не обладали запахом, и поэтому эти свойства должны были возникать в результате материального превращения элементов в пары или газы при трансформации воды и воздуха. В диалоге «Тимей» Платон анализировал запахи в качестве промежуточных, гибридных сущностей, не имеющих конкретного воплощения. Из-за химерного строения запахи нельзя распределять по естественным категориям, а можно лишь характеризовать по гедоническому признаку удовольствия. Примечательным элементом идеи Платона остается отчетливое понимание запаха как свидетельства изменения материи. Представление о запахе как о показателе превращения элементов предполагало форму чувственного суждения о зависимой и изменчивой природе материи.