嗅觉的奥秘
2011年5月24日星期二
从生活经验中人类很早就正确地认识到，气味是人的嗅觉对不同化学物质的反应。我们只能闻到气态的物质，因而有气味的化学物质的一般都是小分子，在常温下一般是气态或有较强的挥发性。可究竟人的嗅觉是怎样分辨不同的气味，至今仍是一个没有完全解开的迷。这个看起来似乎对现代人不那么重要的感观竟消耗了人所有基因的3%来形成，人身体的所有其它系统中只有对生理活动至关重要的免疫系统才能与之相比拟，需要耗费如此庞大的资源。众多的基因参与形成嗅觉功能足以说明嗅觉本身的复杂性，也表明在人的进化历史中，它曾扮演过举足轻重的角色。
嗅觉研究上一个里程碑式的工作是1991年美国神经科学家阿克塞尔（Richard Axel）和生物学家巴克（Linda Buck）合作发现了支配嗅觉感受器的基因，以及与每一个基因相对应的嗅觉感受器。人的鼻腔上方拇指盖大小的地方共有347种嗅觉感受器，能感受吸附到它们上面的化学分子，再在人脑中综合形成人可以辨别出约一万种气味的能力。两人因此分享了2004年诺贝尔生理学或医学奖。
粗看起来这很像人的视觉对颜色的分辨。人的视网膜上有三种对颜色敏感的感光细胞，每一种分别对红、绿、蓝这三原色光中的一种敏感。不同颜色的光本质上有不同的波长，可分别对这三种细胞产生不同强度的刺激，再在人脑中综合形成千万种颜色。今天各种彩色显示、打印和印刷技术都是利用人感知颜色的这种机制，可以只用三、四种单色的显示象素或油墨来复现多彩斑斓的世界。可是人嗅觉感受器的种类是感光细胞的上百倍，而且各种气味分子的结构可以相当复杂，远非像光的颜色那样用波长这一个数字就可以描述，总之很难把人所能分辨的一万种气味用347个字母来编码。
早在嗅觉感受器被发现之前的上个世纪四十年代，著名美国化学家鲍林（Linus Pauling）就曾猜测嗅觉感知的是气味分子的形状。这是很自然的想法，人体的很多功能就是靠这个机制来实现的，比如人体免疫系统就是通过抗体与入侵的病毒或细菌的形状相匹配来识别并消灭它们的。嗅觉感受器发现后，更多的人包括阿克塞尔和巴克都支持这个想法：在嗅觉感受器上有可以识别不同形状分子的结构，就象不同的锁一样，而气味分子就像一把把钥匙，只可以打开与之相配的锁，对特定的嗅觉感受器产生刺激。总共347种嗅觉感受器为了能区分上万种不同的气味，许多种感受器一定要对多种分子形状产生响应，并且许多分子能刺激不只一种感受器，每一种感受器就像瞎子摸象一样对气味分子的一部分产生感觉，人脑再综合所有感受器的刺激产生嗅觉。
这个嗅觉的形状理论可以解释为什么拥有相同基团的分子有相似的气味，那是因为同一基团的形状在不同的分子中是几乎一样的。比如人可饮用的酒精（主要成分是乙醇）和工业酒精（主要成分是甲醇）都含有羟基（–OH）基团，气味接近，人们无法通过闻它们的气味来区分以避免饮入剧毒的甲醇。但有很多形状相近分子的气味却是迥异的。把乙醇分子中的氧替换成硫就成为乙硫醇，它完全没有了酒精的香味，取而代之的是强烈的臭鸡蛋味，因而常被特意微量地加入到无味而有毒的民用天然气或煤气中，以便一旦发生燃气泄漏，它那令人不愉快的气味可以立刻警告用户。乙硫醇和乙醇分子的形状很接近，但气味却大相径庭，这很难用只在乎分子形状的嗅觉理论解释通。另有一对分子更加奇妙，二茂铁和二茂镍，分别是一个铁原子和一个镍原子像汉堡包肉饼一样被夹在两个由五个碳组成的环状的“面包”中。铁和镍大小很接近，于是这两个分子的形状也十分接近，但它们的气味却有显著的差别。显然，差别应该是来源于嵌于分子中间不同的金属原子。看来嗅觉中一定存在一个机制可以探测到分子的内部状况，而不可能仅仅只取决于分子的形状。除了形状，分子还有其它什么特性可以被闻到呢？
组成分子的原子，就像一个个的球（原子）被两两之间的弹簧（化学健）联接在一起。在把物体挂上弹簧称时我们会观察到物体的上下振动，类似的，分子中的每个原子被与它周围其它原子形成的化学键牵着，被激发后也会围绕它的中心位置振动；并且这个振动具有一定的频率，取决于该原子的质量和它周围化学健的强度。用与分子振动频率相同的光（一般是红外线）照射分子可以激发它的振动，而光也就被分子吸收了。现代化学分析中常用红外光谱仪测量待测分子对不同频率红外光的吸收，来得到分子的振动频率，从而反过来推测这个分子的结构。
早在上世纪二三十年代，戴逊（Malcolm Dyson）就大胆地猜想嗅觉是通过对气味分子振动的探测来区分不同化学物质的，后来莱特（Robert Wright）等人的工作更推动了嗅觉振动理论的发展。但是在鼻腔极其有限的空间里到哪里去找打印机大小的红外光谱仪呢？更何况人体内几乎无处不在的水会强烈地吸收红外线而干扰测量，嗅觉不太可能用红外光谱的方法来检测分子。就这样嗅觉振动理论被人们暂时淡忘了，直到上世纪九十年代一位香水大师把量子物理应用到嗅觉机制的研究中。
很多科学家都有着与他们的研究不直接相关的业余爱好，尤其是在艺术方面，像爱因斯坦爱好拉小提琴，李政道喜欢画水墨画。麻省理工学院生物物理学教授都灵（Luca Turin）的爱好——品香水——却成为他探索嗅觉机制的有力武器。都灵曾写过一本小册子《香水指南》，详细介绍市面上各种香水的气味特征，还经常在香水杂志上发表专栏文章评论香水。他擅长用各种名词描述不同香水的气味特征，并常常站在科学的角度上。因为这些著作，他曾引起著名香水公司的注意，受邀参观他们的实验室。这更使他了解到目前国际上开发新的气味分子，因为没有可以依赖的嗅觉机制，只有全凭气味化学家们的经验和大量反复的实验。每个大香水公司都有庞大而保密的化学物质气味数据库，雇佣大量有经验的化学工作者和香水调配师完成新香水的设计、合成和调配。大约平均每合成一千种新的气味分子中只有一种可以配成香水上市。而找到一个芬芳宜人、合成便宜、无毒副作用，能配出像香奈尔5号香水那样的气味分子，更多的是靠运气。如果搞清楚了人嗅觉对各种分子是怎么反应的，就可以算出一个新分子的气味而不必等到合成出这个分子，或者按照气味的需要设计出分子再去合成它，以节省大量的时间和金钱。对香水气味的痴迷促使都灵投入到嗅觉机制的研究中。基于形状理论的明显缺陷，都灵敏锐的嗅觉让他意识到只有振动理论才可能是嗅觉的机制。他开始进一步寻求支持这一理论的证据。
前面提到的硫醇分子中含有巯基（–SH），是由一个硫原子和一个氢原子组成的分子基团。带有巯基的分子闻起来都有强烈的臭鸡蛋味，这给了都灵一个极好的证实振动理论的机会：要找到一个不含巯基的分子，却含另一个与巯基有相同振动频率的基团，而且闻起来也有臭鸡蛋味。都灵用计算机算出巯基的振动频率，发现惟有硼氢键具有与之几乎完全相同的振动频率。常见含硼氢键的物质硼烷自然界本不存在。1912年，首次合成硼烷的德国化学家斯托克（Stock）记录到，它有“强烈的令人反感的像硫化氢的气味”。大家都知道硫化氢含有巯基并且闻起来就是臭鸡蛋味。这正是都灵想要的结果：两种具有完全不同化学组成的分子形状不同却有相似的气味，而他们恰恰都含有相同振动频率的化学键，这强烈地暗示着气味和分子振动频率有着密切的关系。
另一个支持振动理论且明显违背形状理论的例子是昆虫可以闻出不同的同位素分子。我们知道，组成分子的原子是由原子核和核外电子组成，而原子核由质子和中子组成，质子的数目决定了这个原子在元素周期表上的位置，质子数目相同但中子数目不同的原子核互为同位素。元素的化学性质只取决于原子核中质子的数目，而与中子的数目无关。海水中的氢元素只有两种同位素：原子核中含一个质子不含中子的普通氢（占绝大部分）和原子核里含质子和中子各一个的重氢（占1/6400）。质子和中子的质量相近且是电子质量的约两千倍，因而重氢的质量大约是普通氢的两倍。如果把一个分子中的普通氢原子替换成重氢原子，虽然这两个分子会有几乎一样的大小、形状、结构和化学健，但是因为普通氢和重氢的质量相差一倍，所以重氢原子的振动频率将大约只有被替换的普通氢原子的70%。实验发现，果蝇对同样浓度下的普通乙酰苯和把它的八个普通氢原子部分或全部替换成重氢的重氢化乙酰苯的反应有相当大的差异：在一个T型迷宫的两端分别放置上空气和普通乙酰苯，让几百只果蝇选择从其中一端出走，结果选择普通乙酰苯这端的比空气端的多约18%，因为它们比较喜欢乙酰苯的气味；但当把普通乙酰苯替换成有三个氢原子重氢化的乙酰苯后，这一比例明显降低；而当换成所有八个氢原子都重氢化的乙酰苯后，选择走空气一端的果蝇反而比乙酰苯一端的多14%。由此可见，果蝇可以闻出同位素分子间的差异。这对振动理论来说顺理成章的事，用形状理论却是完全无法解释的。类似的实验也曾用人试过，但结果不确定，一部分人觉得两种同位素分子有不同的气味，另一部分人则不觉得气味有什么不同。这可能与人的嗅觉相较很多动物来说不太灵敏并且容易被许多心理因素干扰有关，而并不能排除振动理论的正确性。
虽然都灵对振动理论早已坚信不疑，但是究竟用什么方法可以无需用光来检测分子的振动呢？一个偶然的机会使都灵接触到了非弹性电子隧道效应，它无需任何光谱测量却能在纳米尺度下探测分子的振动，也许这就是都灵朝思暮想的嗅觉机制？非弹性电子隧道效应是一种量子效应，往往只有在是头发丝直径万分之一大小的纳米尺度下才显著。好在纳米尺度在生物体内比比皆是，比如嗅觉传感器上感受气味分子的很多蛋白质就只有几个纳米的大小。人们知道电子能在导线中运动形成电流，如果导线被打断，电子就无法通过而不能形成电流，这是在电子隧道效应被发现以前对电子运动的传统认识。1958年川崎（Leo Esaki）发现，即使导线被打断，只要断开的间隔距离很小，不超过几个纳米，电子就能跨过间隔，电流还能继续。就好像有一条隧道让电子穿越了阻挡在它前进路上的大山，故称之为隧道效应。这是因为电子的量子效应使得导线中的电子有一定的几率存在于自己所处的那段导线以外，包括在间隔另一侧的导线中。川崎因此与后来发现超导体中单电子隧道效应的贾埃弗（Ivar Giaever）和电子对隧道效应的约瑟夫森（Brian Josephson）分享了1973年诺贝尔物理学奖。另外，如果导线的间隔中什么也没有，电子在穿越后会保持原来的能量，称为弹性电子隧道效应，就像自由下落的乒乓球可以从富有弹性的球台上反弹回几乎和落下前一样的高度；但如果间隔中有个分子存在，电子在穿越中可以释放出与这个分子振动相应的能量来激发它的振动，称为非弹性电子隧道效应，就像乒乓球落到泥地里只能弹回得比落下前低，因为乒乓球的能量在碰撞中转给泥了。如果测量通过导线的电流和导线两端电压（反映了电子能量的损失）的关系就可以得到间隔中这个分子的振动信息。这就是兰姆（John Lambe）和杰克莱维克（Robert Jaklevic）于1968年首次实验发现的非弹性电子隧道效应，并用来检测分子的振动谱。
下一个要回答的问题是，非弹性电子隧道效应能否在生物体内实现？生物电源、导电的蛋白质在生物体内都可以实现。在都灵工作的基础上，生物学家和物理学家合作进一步提出了一个模型可以在生物体内实现非弹性电子隧道效应而不违背任何物理和生物的规律。需要注意的是，与已知规律不矛盾并不表明非弹性电子隧道效应一定就是嗅觉检测分子振动的手段，最终的证实还有待于发现嗅觉感觉器和气味分子到底是怎样相互作用的。另外分子要被闻到首先必须被嗅觉感受器抓住，这就和这个分子的结构与嗅觉感受器结构匹配有关了。在这个意义上，分子的形状会影响气味的强弱，形状理论也不是完全没有道理。
尽管要完全揭示嗅觉的奥秘还有大量的研究工作要做，嗅觉的振动理论已经在指导合成新的气味分子上取得了成功：一家都灵做技术总监的公司平均每合成一百个分子就有一个可以用在新香水中，效率是传统方法的十倍。现在几乎可以肯定地说，嗅觉和其它两大感观视觉和听觉一样，也是一种对振动的感知，只不过不是光波和声波的振动，而是分子的振动。
主要参考资料：
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Turin, Luca (2006). The Secret of Scent: Adventures in Perfume and the Science of Smell. New York: Ecco. ISBN 0-06-113383-3.
Nobel Prize website: http://nobelprize.org
Vibration theory of olfaction at Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Vibration_theory_of_olfaction