Райт - Наука о запахах - 1966 (947297), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Именно это, возможно, определяет легкий доступ молекул пахучего вещества к мембранам нервных клеток обонятельного аппарата. Таким образом, мы располагаем двумя различными и четкими критериями <силы» запаха: первый — низкий порог и второй — резкое усиление запаха, после того как этот порог пройден. Показатель степени п в формуле Стивенса может оказаться очень удобной мерой оценки силы запаха по второму из этих критериев; это, однако» еще требует доказательства, вследствие чего теоретичес1 кую интерпретацию смысла этого показателя степен придется пока отложить.
Что касается порогов обоняния, то здесь положение несколько лучше. Этот вопрос теоретически разработали Дэвис и Тэйлор, причем очень интересно. В связи с важностью данной проблемы рассмот им ее подробнее. Гз апахи воспринимаются в том случае, если молекулы пахучего вещества на какое-то время непосредственно соприкасаются с клеточной мембранойуС этого и начинаются рассуждения Дэвиса и Тэйлора.
Клеточная мембрана (или оболочка клетки) имеет, по-видимому, жиро- подобную, или липидную, природу, но она покрыта водянистым слоем слизистой. Поэтому молекулы пахучего вещества из воздуха прежде всего должны перейти в воднолипидный пограничный слой,)Дэвис и Тэйлор предполагают, что в этом случае действует так называемый закон распределения, известный нз физической химии, согласно которому где С, — средняя концентрация молекул пахучего вещества на поверхности клеток, С, — концентрация этих молекул в окружающем воздухе, а К... — постоянная, называемая коэффициентом распределения, который зависит от природы распределяющегося в разных фазах вещества, но для данного вещества является постоянной величиной независимо от величины значения С,. Концентрация С, означает концентрацию пахучего вещества в поверхностном слое, выраженную числом молекул в кубическом сантиметре вещества, из которого состоит этот слой.
Для того чтобы перевести эту величину в число молекул в 1 ка. си поверхности клетки, Дэвис и Тэйлор предполагают, что толщина поверхностного слоя 4 около одного миллимикрона (10 'жм), так что среднее число молекул, приходящихся на 1 кв. см поверхности, составляет С,м. Эти молекулы распределены на клеточной поверхности столь же неравномерно, как горсть горошин, брошенная на землю. Иначе говоря, распределение молекул на поверхности носит случайный характер, то есть имеются места, где плотность адсорбированных молекул выше средней, н наоборот. Предполагается, что, когда на данном участке поверхности клетки плотность адсорбпрованных молекул превысит некоторую величину, эти молекулы каким-то образом деполяризуют, или, если так можно выразиться, «пробивают», клеточную мембрану.
При этом молекулы одних типов имеют повышенную «пробивную» способность по сравнению с молекулами других типов. Чтобы перевести эти весьма общие рассуждения на язык математики, представим себе, что поверхность клеточной мембраны разделена на маленькие гнезда, которые настолько малы, что при случайном распределении молекул пахучего вещества по всей поверхности количество молекул в каждом нз этих гнезд также чисто случайно. Это сводит нашу проблему к обычной задаче из области теории вероятностей, причем для ее решения существует готовая формула — уравнение Пуассона: у е с(«с )р и р! В этой формуле а — площадь одного участка; произведение аС, — среднее число молекул, приходящихся иа один участок; У -- количество участков, содержащих число молекул р, превышающее среднее число молекул, приходящихся на один участок (аС,), и п — общее количество участков на поверхности данной клетки.
Для того чтобы вызвать нервный импульс, необходимо, чтобы по крайней мере один из участков мембраны нервной клетки имел некоторое критическое число молекул, так что наименьшее значение Лг равно 1. Кроме того, наименьшее возможное число молекул пахучего вещества, приходящееся на один такой участок, должно быть равно 1. ,(Это может быть в случае вещества с сильным запахом, молекулы которого обладают максимальной пробивной способностью.) Для слабо пахучих веществ критическое число молекул, приходящихся на один участок, может составлять 20 или 30. Если объедипить формулу закона распределения с формулой Пуассона и вместо буквенных обозначений вставить числовые значения констант, то обычные математические преобразования приводят к следуюп1ему выражению: 1од П.
О. +!опКы,= ' + ~ ~'+ 21,19. Р Р Если сделанные предположения верны и известны значения коэффицнента распределения и величины р, можно вычислить величину порога обоняния (П.О.), поль- И4 зуясь полученным уравнением. Значение коэффициента распределения К,, для каждого вещества можно определить путем непосредственных измерений распределения пахучего вещества между маслом (или жиром) и водой и между водой и воздухом. Значение величины р найти гораздо труднее, так как мы не знаем, каким образом молекулы пахучего вещества взаимодействуют с поверхностью клеточной мембраны, «пробиваяз ее.
(Некоторые современные теории на этот счет будут рассмотрены в следующей главе.) Дэвис и Тэйлор считают, что значение величины р зависит, по крайней мере частично, от размера и формы молекул пахучего вещества. Эти авторы полагают, в частности, что столь «изящная» молекула, как, например, молекула воды, не обладает пробивной способностью по отношению к мембране нервной клетки (и именно поэтому вода не имеет запаха), а «толстая» молекула, например молекула ()-ионова, имеет максимальную пробивную способность (поэтому у попона одна из самых низких пороговых концентраций); ппо мнению Дэвиса и Тэйлора, у веществ, промежуточных по силе запаха, пробивная способность прямо пропорциональна площади поперечного сечения их молекул. Из экспериментов совершенно иного рода мы знаем кое-что о размере н форме различных молекул, хотя в ряде случаев мы можем только предполагать, находится ли нитевидная молекула с длинной цепью в скрученном состоянии или она вытянута.
Для большей достоверности Дэвис и Тэйлор рассчитали оба варианта. Для первичных алифатических спиртов нормального строения (опыты с которыми мы подробно обсуждали выше) они вычислили величины пороговых концентраций, предполагая, чтомолекулы этих веществ могут иметь как скрученную, так и вытянутую конфигурацию.
Полученные ими значения пороговых концентраций очень интересно сравнить с экспериментально найденными величинами (соответствующие данные приведены в таблицах). Если учесть трудность эспериментальной проверки обсуждаемой проблемы, а также тот факт, что при теоретическом ее рассмотрении был сделан ряд весьма грубых и приблизительных допущений, расчетные данные Дэвиса и Тэйлора хорошо согласуются с экспериментальными результатами, полученными другими исследователями.
Интересно отметить, гта Вычисленные н аксперимеитальио наблюдаемые значения пороговых концентраций для алифатических первичных спиртов Пороговая концентрация )молекулы в 1 куб. см) «)еловек (разные наследователи) Вычислено (Давке н Тэйлор) Мясная муха (Детнр в Иосч) Крыса (Моултон н эярс) Спирт вытяну. тая молекула скрученная молекула Вычисленные н аксперимеитально наблюдаемые значения пороговых концентраций для человека и собаки Пороговая концентрация (молекулы в 1 кнб.
см) Вычнсленная (Давно н Тэллор) Наблюдаемая скручен- ная молекула вытянутая молекула человек собака !х10" 9х)Оз 1Х10" 4Х!04 !Х10ы 4Х!04 2Х10" 7Х!0' )х Ю'о )х ИР ЗХ!Оэ 2Х)0' )Х!О" 4Х!0" 2Х10" 2Х 10е Масляная кислота Валериановая кислота Капроновая кислота а-Ионон что мясные мухи оказались менее чувствительными, чем можно было предполагать. Несколько озадачивает сопоставление расчетных величин с наблюдаемыми значениями пороговых концентраций некоторых веществ для собак. В главе Ч11 я отмечал, что некоторые пороговые значения для собак примерно, в 100 раз ниже, чем для человека.
В таких случаях и человек и собака, вероятно, могут ощущать одни и те же запахи. Кроме того, есть вещества, у которых пороговые !86 С,Н,01! с,н,он СвН,ОН С НМОН С, ИМО)4 5Х10'з 8Х!0'а 1Х!0'э 1Х10" 5Х!0'о 4 Х10э !Х)Оа 8Х)0'4 )Х)О' 2Х10тэ 8Х)01' 6Х10" 1Х10'з ЗХ)0" 5х10'з 8Х10'з 7 Х)Ота 7Х10" 9Х)011 8Х10'е 4Х10аа 6Х1014 ЗХ)0'в 1х! О' 2Х)0'э 9 Х 1014 7Х!0'е Зх10' ЗХ )0'в 4Х1044 !Х!0'а 2Х)Оз4 2Х1014 ! Х!Оы ЗХ10'4 концентрации для людей более чем в миллион раз превышают соответствующие величины»для собак, и в таких случаях собаки, по-видимому, чувствуют то, чего мы уже не воспринимаем.
Величины пороговых концентраций, вычисленные Дэвисом и Тэйлором, как и следовало ожидать, достаточно хорошо совпадают с пороговыми значениями их для людей и соответствующими им значениями для собак, однако это соответствие исчезает в случае таких веществ, у которых пороговые концентрации для собак очень низки. Я не считаю, что факты такого рода 'опровергают теорию Дэвиса и Тэйлора; они лишь показывают, что «пробивная» способность молекул может зависеть не только от «изящества» или «толщины» молекулы пахучего вещества. Глава ХИ Загадка химии Однажды я попросил знакомого химика понюхать два вещества, которые, по мнению большинства людей, пахли очень похоже, и сказать, что ои думает по этому поводу.
Он старательно исполнил мою просьбу и уверенно заявил, что пахнут они совершенно по-разному, что ои легко может различить эти вещества по запаху и, следовательно, между ними нет ничего общего. Поего буквальному выражению, в запахах этих веществ ие было ничего такого, что могло бы их как-то объединять, одинакового и неотличимого. Это, разумеется, неверное утверждение: при сравнении запахов в большинстве случаев мы обнаруживаем у них какие-то общие особенности. Если я говорю, что два вещества имеют цветочный запах, это значит, что я считаю их запахи похожими настолько, насколько запах фиалки, например, похож на запах розы. Тем не менее вряд ли кто-нибудь спутает эти два запаха, хотя запах фиалки похож на запах розы более, чем он похож, скажем, на запах рыбы.
Попробуем еще сузить понятия. Если я говорю, что оба вещества имеют <розоподобные» запахи, я вовсе не имею в виду, что они неразличимы между собой, что их запах неотличим от запаха розы. Я просто считаю, что между ними есть значительное, но вовсе не абсолютное сходство. Надеюсь, в данном случае я не занимаюсь доказательством очевидного, хотя мне приходилось делать это довольно часто из опасения быть понятым неправильно.
Попробуем рассмотреть эту же проблему в другом аспекте. Сто лет назад Кекуле изобретением структурных формул заложил основы современной органической химии '. ' А. Кекуле в Германии (в также Л. Купер в Лнглнн), несомненно, внесла существенный вклад в созданне структурной теории, разработав некоторые ее элементы, но истинным творцом теорнн химического строения является знаменнтый русский ученый А. М.
Бутлеров (1828 — 1886). Создакная нм теорня является научной основой современной органической хнмнн, н нменно а ее нспользованнн говорит далее автор настоящей книги (см., например, Он внес новое в уже существовавшие тогда атомистическую и молекулярную теории, предположив, что атомы в молекулах ые всегда соединяются с отличными от них атомами (как, например, в молекулах Н вЂ” С! или Са=О), а могут также соединяться между собой, образуя «цепочки», и что эта способность особенно ярко выражена у атомов углерода. Приняв это за основу, он и его последователи создали замечательную структурную теорию на основе изучения химических свойств органических соединений. В результате таких исследований ученые получают структурные формулы веществ, в которых очень наглядно представлены свойства данного соединения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
