70 идентификаторов вкусов и умение различать 2 трлн запахов: почему мы не пользуемся своими суперспособностями?

Большинство животных в процессе развития стали весьма разборчивы в еде. Например, если мы чувствуем запах или вкус чего-то дрянного, мы не будем это есть. Скорее всего, этот ответ развился как средство быстрой классификации встреченного объекта и подпадает под категорию «пища» — «я ем его». Вероятно, все чувства даны нам, чтобы мы могли сделать выбор: это можно есть, а это — нет. И наша способность принимать такого рода решения зародилась глубоко в прошлом. Не забывайте, что мозг позвоночных имеет три уровня организации. Самый глубокий, самый примитивный уровень унаследован нами от ранних позвоночных и содержит ствол и мозжечок. Следующий уровень, состоящий в основном из лимбической системы, усложняет интерпретацию такой информации, как запах и вкус. Последний уровень, кора головного мозга, добавляет еще более изощренный способ восприятия данных, полученных от органов чувств.

Удовольствие играет огромную роль в обучении организмов повторять то, что для них выгодно. Ведь если что-то приносит пользу и доставляет удовольствие, то организм снова и снова будет искать то, что вызвало эту реакцию: секс, что-то вкусное или то, что приводит к ужасным долгосрочным последствиям, наркотик. Когда мы пробуем испорченный продукт, уровень дофамина в мозгу резко падает и желание есть нечто подобное тут же пропадает. А вот если в рот попадает лакомый кусочек, сладкий, вкусный или питательный, уровень дофамина возрастает, и система вознаграждений тут же откликается: «Хочу еще». Дофамин посылает нам сигнал съесть как можно больше, но действие его временно, и в какой-то момент мы чувствуем насыщение и перестаем заглатывать кусок за куском. Наркотики захватывают мозг именно по такой схеме. Вместо кратковременного всплеска дофамина концентрация в молекуле закрепляется на постоянном высоком уровне, что вызывает тягу ко все большему и большему количеству наркотика и в итоге приводит к пагубной зависимости.

Запуск этой системы очень похож на обработку вкуса: все начинается с небольшого количества химического вещества или молекул, воздействующих на хеморецепторы. Вкус возникает из комбинации молекул, которые мы глотаем с пищей, с воздухом или напитками и обрабатываем вкусовыми рецепторами во рту. Затем информация с рецепторов передается в мозг, где интерпретируется. Вкус, различаемый рецепторами, бывает пяти основных видов: горький, сладкий, кислый, соленый и умами. Кроме того, учитывается жирность и содержание углеводов. Вкусовые рецепторы находятся преимущественно на языке, но есть они и в других местах, например в тканях дыхательных путей и в тонком кишечнике.

Исследователи описали несколько видов вкусовых рецепторов, которые влияют на восприятие сладкого, горького и вкуса умами, и назвали их рецепторами TAS (по первым трем буквам английского слова taste — вкус). Принцип действия TAS очень похож на работу обонятельных рецепторов, воспринимающих запахи. Рецепторы TAS1 воспринимают сладкий вкус и умами, а TAS2 — горький вкус. Также выделены рецепторы для определения соленого и кислого вкусов, но о них известно меньше. Главный кандидат на роль рецептора для определения соленого — это ген, который, как ни странно, задействован и в развитии поликистоза почек (PKD) и называется PKD2L1. Этот рецептор — ионный канал, который также участвует в распознавании кислот.

Человек обладает примерно семьюдесятью генами-идентификаторами сладкого, горького и умами (TAS1 и TAS2), и несколько его генов относятся к кислой и соленой категориям. А вот животный мир гораздо разнообразнее в том, что касается вкуса.

По всей видимости, животные не так уж разборчивы в еде, чтобы делить вкусы на целых пять категорий, им хватает и трех: «Ням-ням!» («Мне нравится»), «Фу!» («Мне не нравится») и «Так себе» («Мне все равно»). Если вы любите кошек, предложите вашим мохнатым друзьям сладкое. Попробуйте и убедитесь, что им плевать на конфеты. Такое равнодушие — это не проявление крутых кошачьих манер, а следствие того факта, что кошки не могут оценить подобное лакомство. Способность ощущать сладкое проявляется благодаря двум из семидесяти (или около того) рецепторов TAS, называемых TAS1R2 и TAS1R3. У животных, которые могут различить сладкий вкус (включая людей), эти два рецептора образуют димер. Когда нам в рот попадает что-то сладкое, сахаросодержащие соединения связываются с димерным белком и отправляют сигнал, идущий непосредственно в мозг по круговой схеме: кора — базальные ядра — таламус. В мозге этот сигнал интерпретируется как «Мне нравится», поскольку в сладких продуктах содержится много важных для жизни углеводов. У кошек в гене TAS1R2 есть длинная делеция, которая сводит на нет функцию рецепторного белка, заставляя его классифицироваться как псевдоген (ген, который присутствует в геноме, но не вырабатывает правильный белок). Это простое изменение генома лишает кошек шанса насладиться чем-нибудь сладеньким, хотя некоторые исследователи считают, что большие дозы сахара те могут почувствовать. Утрата длинного участка гена TAS1R2 произошла у общего предка кошек, и это означает, что все большие кошки, такие как львы и тигры, наряду с домашними тоже не могут ощущать сладкий вкус.

Если и запах, и вкус являются хемосенсорными, тогда как различаются восприятия запаха и вкуса? Разницу очень хорошо видно на примере насекомых. Помимо того что у насекомых за распознавание запаха и вкуса отвечают разные рецепторы, всегда можно найти отличия, следуя простой логике: обоняние реализуется через обнаружение газообразных молекул, и обычно эти рецепторы располагаются на усиках; вкус же ощущается при прямом телесном контакте с объектом. Итак, какие части тела насекомых участвуют в дегустации? У насекомых, таких как мухи, есть рты… почти рты. У них есть ротовой аппарат, и это очень корректное обозначение подобного уродства. Рты злобных пришельцев-охотников в фильме «Хищник» сделаны по образу и подобию ротового аппарата насекомых, и нельзя назвать их милыми. В ротовом аппарате мухи есть вкусовые рецепторы, называемые GRN (где N означает вариант), их примерно семьдесят, и они не имеют никакого отношения к вкусовым рецепторам, обнаруженным у позвоночных. Однако известно, что мухи могут различать горькое и сладкое, а также воду и углекислоту. И неудивительно, что вкусовые рецепторы мух и других насекомых встроены именно в те уродливые ротовые аппараты — именно они постоянно контактируют с пищей. Пожалуй, вполне объяснимо и то, что GRN размещаются на крыльях и ногах и даже на яйцекладущем аппарате самок — ведь насекомые используют все эти органы, чтобы чувствовать питательные вещества на поверхностях, которых те касаются.

Линда Бак и Ричард Аксель изучали процессы обработки запахов у позвоночных животных на примере крыс. Они провели эпохальное исследование, в ходе которого выявили у млекопитающих большой и разнообразный набор генов рецепторов, воспринимающих запахи. В конечном итоге Бак и Аксель пришли к выводу, что молекулы одоранта взаимодействуют с рецепторами как ключи с замками. Если у рецептора есть правильный «замок» для подходящего «ключа» одоранта, то он вызывает дальнейшие реакции в клетке, которые передают в мозг по нейронной сети информацию о появлении данного запаха.

Первая сложность заключается в том, что не все гены в геноме организма экспрессируются. Ведь даже наличие последовательностей, которые обычно встречаются в гене определенного вида, не означает, что ген активен. Неактивные гены называются псевдогенами, как я уже отмечал ранее. Отсутствие экспрессии псевдогенов обычно вызвано появлением терминирующего кодона, или стоп-кодона, который делает ген усеченным и нефункциональным. Стоп-кодон — это сигнал для механизма трансляции белка клетки прекратить преобразование гена в белок. Диапазон количества генов обонятельных рецепторов у позвоночных животных впечатляет своим многообразием (см. рис. 4.1 и вставку 4.3).

Вторая сложность в том, что даже шестьдесят один рецепторный белок дрозофилы может распознать множество запахов. Некоторые запахи можно определить довольно точно и при меньшем количестве рецепторов, ведь процесс обработки одорантов в мозге животного имеет комбинаторную природу. Один одорант может быть привязан не к одному рецептору, и, следовательно, нейрон получает несколько ответов от разных рецепторов. Кроме того, информация от нейронов с рецепторами сходится к локальным точкам обработки, которые называются гломерулами или клубочками. Там множественные сигналы могут объединяться, что позволяет точнее распознавать запах. 

Некоторые исследователи, изучающие запахи, полагают, что у людей не очень хорошо развито обоняние и они — середнячки среди видов по количеству генов обонятельных рецепторов в геномах (мы находимся в нижней трети списка изученных организмов). Но при этом мы довольно типичны в том, что около половины наших генов обонятельных рецепторов являются псевдогенами. Кроме того, с начала XX века было принято считать, что люди распознают около десяти тысяч запахов. Однако в 2014 году Андреас Келлер и его коллеги опровергли это. Келлер и его коллеги начали со 128 известных запахов. Затем они смешали в банках по десять, двадцать или тридцать наиболее распространенных из них. Для одного эксперимента (называемого тестом на различение) они подготавливали три банки: первую и вторую — одинаковые и третью — чем-то отличающуюся от них. В опытах смеси были разбиты по парам таким образом, что в третьей банке некоторые пары не имели общих запахов, а другие были почти идентичны. Каждому участнику эксперимента было дано 260 тестов на различение, а потом результаты были сведены в таблицу. Все, что было необходимо, — это выяснить, когда способность обнаруживать различные запахи в составе смесей падает.

Для тридцати смесей запахов существует 1,54 × 1029 возможных комбинаций, а для десяти запахов — 2,27 × 1014. Это огромное количество, и человеческий нос и мозг способны различить далеко не все комбинации. Фокус в том, чтобы понять, сколько же именно может различить рецепторный аппарат обоняния человека. Математика приводит к поразительному выводу: в среднем люди могут различать 1,72 триллиона — то есть 1720 000 000 000! — различных комбинаций, когда объединяются тридцать запахов. Было подсчитано, что дрозофила различает только 65 000 различных запахов, а вот другие млекопитающие, вероятно, могут посоперничать с человеком. Это количество потенциальных комбинаций запахов значительно превосходит диапазон звуков, вкусов и зрительных образов, которые могут воспринимать люди. Все познается в сравнении: чувство, которое на первый взгляд казалось ахиллесовой пятой, на самом деле оказывается одной из лучших наших способностей.

Отрывок для публикации предоставлен издательством КоЛибри, Азбука-Аттикус