Квантовый нос и его обоняние

Обычному человеку нетрудно понять, в чем заключается смысл теории совпадения формы рецептора и молекулы: каждый день мы имеем дело с таким явлением, как комплементарность форм, надевая перчатку, вставляя ключ в замочную скважину или закручивая гайку гаечным ключом. Известно, что ферменты (о действии которых мы говорили в главе 3), антитела, рецепторы гормонов и другие биомолекулы взаимодействуют в основном посредством геометрического приспособления собственных атомов и молекул. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что теория совпадения формы рецептора и молекулы была поддержана многими биологами, в том числе Ричардом Экселом и Линдой Бак, получившими Нобелевскую премию за изучение обонятельных рецепторов.

Коммуникация, основанная на обработке колебаний химических связей, знакома и понятна нам в гораздо меньшей степени, несмотря на то что данный механизм лежит в основе как минимум двух каналов получения информации – зрения и слуха. В то время как физика таких процессов, как считывание глазом частоты колебаний света или фиксация ухом частоты колебаний воздуха, давно понятна, до недавнего времени никто не мог предложить ясного объяснения того, каким образом нос распознает частоту молекулярных колебаний.

Лука Турин родился в 1953 году в Ливане. Он изучал физиологию в Университетском колледже Лондона. Получив образование в Лондоне, он переехал во Францию, где ему посчастливилось работать в Национальном центре научных исследований. Однажды он посетил известный магазин «Галерея Лафайет» в Ницце и пережил там моменты истинного откровения. В центре большого парфюмерного павильона находилась витрина, уставленная продукцией японской компании Shiseido, а именно их новым запахом Nombre Noir, о котором Турин пишет так: «Это было нечто среднее между розой и фиалкой, но абсолютно без сладкой приторности, присущей обоим ароматам; напротив, в нем был слабый, едва уловимый оттенок запаха кедровой коробки для сигар. В то же время аромат вовсе не был сухим. Казалось, он переливался свежестью глубокого, теплого цвета, и капли поблескивали в нем, словно стеклышки витража» [6]. Японский аромат глубоко впечатлил Турина и вдохновил его на долгие поиски разгадки тайны запаха, а именно того, как молекулы, попадающие в нос человека, способны вызывать такие пронзительные ощущения.

Как и его предшественник Дайсон, Турин был убежден в том, что взаимосвязь спектра колебаний и запаха не может быть простым совпадением. Он соглашался с аргументом Дайсона о том, что обонятельные рецепторы каким-то образом улавливают молекулярные колебания. В отличие от Дайсона, Турин предположил наличие в системе органов обоняния весьма абстрактного, но в то же время правдоподобного молекулярного механизма, который представляет собой набор биомолекул, способных улавливать колебания химических связей посредством квантового туннелирования электронов [7].

Как вы помните из главы 1, туннелирование – это явление квантовой природы, основанное на способности частиц, например электронов или протонов, приобретать свойства волны и преодолевать препятствия, не преодолимые никаким другим способом, известным классической физике. В главе 3 мы говорили о том, что данное явление играет важную роль во многих реакциях с участием ферментов. Пока Турин бился над разгадкой тайны запаха, ему на глаза попалась статья о такой новой технологии, применяемой в химии, как туннельная спектроскопия неупруго рассеянных электронов (IETS). Механизм IETS таков: две металлические пластины помещают очень близко друг к другу, оставляя между ними тоненькую щель. Когда на пластины подается напряжение, электроны скапливаются на одной из них, придавая ей отрицательный заряд (пластина-донор). Вторая, положительно заряженная, – пластина-акцептор – начинает их притягивать. Если в рассуждениях не выходить за рамки классической физики, то можно утверждать, что электроны не обладают достаточной энергией для того, чтобы перепрыгнуть через щель, разделяющую две пластины. Однако электроны – это объекты, характеризующиеся квантовой природой, и если щель не очень широка, то они преодолеют путь от донора к акцептору посредством квантового туннелирования. Такой процесс называется «упругим» туннелированием, поскольку электроны не получают, но и не теряют энергию в ходе преодоления некоторого расстояния.

«Упругое» туннелирование электрона от донора к акцептору возможно при одном важном условии – наличии на акцепторе свободной точки с энергией, совпадающей с энергией электрона. Если ближайшая доступная для электрона точка акцептора характеризуется меньшей энергией, тогда электрону необходимо утратить часть собственной энергии, чтобы совершить прыжок. Такой процесс называется «неупругим» туннелированием. Ненужная энергия должна быть направлена куда-либо, иначе электрон не сможет совершить туннелирование. Если между пластинами помещается некое вещество, электрон может совершать скачок от донора к акцептору, передавая этому веществу лишнюю энергию. Это возможно до тех пор, пока молекулы вещества, расположенного между пластинами, имеют связи, совершающие колебания на частоте, соответствующей сообщаемой энергии. Избавившись таким образом от лишней энергии, электроны, совершающие «неупругое» туннелирование, попадают на пластину-акцептор с меньшим количеством энергии. Устанавливая различия между количеством энергии электронов, покидающих пластину-донор, и количеством энергии прибывающих на акцептор частиц, туннельная спектроскопия «неупруго» рассеянных электронов помогает определить свойства и природу молекулярных связей химического вещества.

Вернемся к аналогиям из мира музыки. Если вы когда-нибудь играли на струнном инструменте, вы должны знать, что извлечь звук из струны можно, даже не касаясь ее. Мы имеем в виду явление звукового резонанса. Этот «фокус» можно продемонстрировать, например, во время настройки гитары. Если вы поместите маленький кусочек тонкой бумаги на одну из струн, а затем возьмете ноту, соответствующую данной струне, на соседней, вы увидите, что бумажка упадет со струны, которой вы даже не коснулись. Это происходит потому, что в случае точной настройки струна, которую вы дергаете, передает воздуху колебания, а воздух, в свою очередь, передает колебания соседней струне. Возникает резонанс колебаний соседних струн. При «неупругом» туннелировании электрон перескакивает на пластину-донор, если в составе молекул вещества, помещенного между пластинами, окажется химическая связь, совершающая колебания с той частотой, которая необходима частице для совершения скачка. На самом деле электрон, совершающий туннелирование, теряет энергию в ходе дергания молекулярной связи во время квантового скачка между пластинами.

Турин предположил, что обонятельные рецепторы функционируют подобным образом, только роль обеих пластин и щели между ними выполняет одна-единственная молекула – собственно обонятельный рецептор. Он представил электрон, изначально расположенный на донорской стороне молекулы рецептора. Как и при «неупругом» туннелировании, электрон мог бы совершить скачок на сторону акцептора в пределах той же молекулы, но, как предположил Турин, частице мешало несовпадение энергий двух сторон молекулы. Однако если рецептор захватывает молекулу запаха, которая имеет химическую связь, совершающую колебания с подходящей частотой, тогда электрон способен совершить прыжок от донора к акцептору посредством туннелирования, одновременно передавая некоторое количество энергии молекуле запаха, «дернув» за одну из ее химических связей. Турин также предположил, что электрон, совершивший туннелирование и находящийся теперь на стороне акцептора, запускает молекулярный снаряд – G-белок, приводящий в действие обонятельный нейрон, который отправляет сигнал прямо в мозг, после чего мы наконец «ощущаем» запах, скажем, апельсина.

Турину удалось обнаружить множество косвенных доказательств своей квантовой теории колебаний. К примеру, как уже было сказано, для веществ, содержащих сероводородную связь, характерен резкий запах протухших яиц. В молекулах данных веществ содержится молекулярная связь S – H, совершающая колебания с частотой 76 терагерц (76 триллионов колебаний в секунду). В рамках теории Турина выдвигается смелая гипотеза: любое вещество, в молекуле которого обнаруживается химическая связь, совершающая колебания с частотой 76 терагерц, должно обладать запахом протухшего яйца независимо от формы молекул. К сожалению, немногие вещества могут похвастаться химическими связями с подобным спектром колебаний. Турин просмотрел практически всю имеющуюся литературу по спектроскопии в поисках упоминания о молекуле с той же частотой колебаний химической связи. Наконец он обнаружил, что концевые бороводородные связи в составе молекул боранов (бороводородов) совершают колебания с частотой 78 терагерц, близкой к частоте колебаний связи S – H. Так как же пахнут бороводороды? Такой информации в литературе по спектроскопии не нашлось, а сами вещества оказались такой редкостью, что Турин нигде не мог найти образец, чтобы понюхать самому. В статье одного из старых изданий он нашел упоминание о том, что бороводороды имеют отвратительный запах – то же можно сказать и о запахе серы. Таким образом, бораны – единственная на данный момент известная группа веществ, молекулы которых не имеют в своем составе атомов серы, но при этом обладают тем же запахом протухших яиц, что и сероводород. Одним из таких веществ является декаборан, молекулы которого состоят исключительно из атомов бора и водорода (химическая формула B₁₀H₁₄).

Итак, Турин совершил открытие: из тысяч веществ, запахи которых известны человеку, такую же вонь, как и сероводород, источает молекула с такой же частотой колебаний химической связи. Это звучало весьма убедительно, поэтому теория колебаний химических связей получила широкую поддержку среди исследователей механизмов обоняния. Как вы помните, парфюмеры на протяжении долгих десятилетий бились над тем, как подобрать молекулярный ключик к тайне запаха. Турину удалось совершить то, чего не сумел добиться ни один химик: предсказать запах вещества, опираясь лишь на теоретические рассуждения. Для химиков это было равносильно тому, как если бы кто-то предсказал запах духов, исходя из формы флакончика. Теория Турина также описывает весьма правдоподобный с биологической точки зрения квантовый механизм, благодаря которому биомолекула способна распознавать молекулярные колебания. Однако теоретически «правдоподобного» механизма недостаточно. Где же кроется истина?