气味的大千世界

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10月4日，诺贝尔基金会把本年度的诺贝尔生理学或医学奖颁发给美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克，以表彰他们在研究人类嗅觉方面的贡献。



迷迭香

    500多年以前，一支船队从西班牙出发。船队的领导者哥伦布最终发现了一块欧洲人从未踏足过的土地——美洲。但是，当初探险的目的，则是去东方寻找香料和黄金。对香味（香料作为一种调味品，既有味道、也有气味）的追求在一定程度上改变了人类的历史。而且，在人类漫长的进化历史中，感知气味这一功能一定也影响过我们的命运。

　　感知气味——也就是嗅觉，与视觉、听觉、味觉、触觉一起，构成了我们的5种主要的感知外部世界的方式。嗅觉往往让人留下深刻的印象：令人陶醉的花香、让人窒息的恶臭、沁人心脾的香水、令人作呕的垃圾。但是这并不足以概括气味的种类。人的味觉可以大致分为酸、甜、苦、咸和鲜味（谷氨酸钠，也就是味精）5种，但是人类可以感知的气味，大约在1万种左右。同样作为哺乳动物，我们的嗅觉也不是最引以为傲的。很明显，狗的嗅觉比我们灵敏。狗能区分更多的气味，因此狗常常被用作警犬或者搜救犬。猫的嗅觉也比我们灵敏。这些哺乳动物常常用气味划分领地、区别异己。但是，也有一些动物的嗅觉相当迟钝。例如，一般认为鸟类的嗅觉就不灵敏，鱼类也差不多。



伊壁鸠鲁

    人类思索气味的问题至少可以追溯到公元前4世纪的古希腊时代。亚里士多德认为，气味是有气味的物质发出的辐射，被我们感觉到。比亚里士多德稍晚的另一位希腊学者伊壁鸠鲁，在德谟克利特的原子论的基础上解释了嗅觉：不同形状的原子让鼻子感觉到不同的味道。上个世纪40年代，两位美国科学家曾经提出过一个听上去有点滑稽得理论，这个理论与亚里士多德的理论有相似之处。他们认为，气味是有气味的物质释放出的气体，这些气体吸收了鼻子发出的特定波长的谱线。他们是根据蜜蜂的实验得出这一结论的，但是谁也没能重复他们的实验。

　　然而伊壁鸠鲁的理论在某种程度上是正确的。换句话说，气味是化学物质引起的，正如舌头的味觉也是化学物质引起的。在我们的舌头上有四种基本的味蕾，用于感受酸、甜、苦、咸的味道。然后，味蕾感觉到的信息被神经送到大脑。这样我们就感觉到了味道。眼睛也有类似的方式：视网膜上有三种视锥细胞分别感受红、绿、蓝三色，然后颜色信息通过神经传至大脑。

　　确实，嗅觉的工作方式大致与视觉和味觉类似。嗅觉的“传感器”在鼻子里。准确地说，在鼻腔的上部有一小块嗅觉上皮组织。这里是神经系统的前端。嵌在这里的嗅觉神经细胞把气味的信息首先传给嗅球。嗅球是大脑的一个小小的附属组织，位置大约在我们眼睛的后方。然后嗅球再把信息传给大脑负责嗅觉的相应区域。此外，嗅觉上皮还包括嗅觉神经的干细胞——通常一个嗅觉神经细胞会在1、2个月内死亡。如果没有干细胞负责分化成新的嗅觉神经细胞，那么我们早就丧失嗅觉了。

　　大千世界

    伊壁鸠鲁曾经天真地设想，引起甜味嗅觉的是光滑、圆圆的原子，而酸味则是尖的原子。不同的气味确实是不同结构的物质引起的，但是并非圆的或者尖的“原子”。在嗅觉神经细胞的细胞膜上有一些蛋白质受体——气味的“传感器”。这些蛋白质横跨细胞膜两边。它们一旦与特定的气味分子结合，就会发生变化。这就让与这些蛋白质联合在一起的另一种蛋白质——科学家称之为G蛋白质——也发生变化。最终的结果是它们引发了一次神经冲动——一个脉冲电信号被送到了嗅球。

    这个（当然是被简化叙述的）过程看上去很简洁。但是也引出了另一个问题：我们并非只能辨别一种气味，那么我们有多少种不同的蛋白质受体，用来区分不同的气味呢？1991年，哥伦比亚大学的理查德·阿克塞尔和正在他的实验室做博士后研究的琳达·巴克找到了答案。


阿克塞尔


巴克

    阿克塞尔和他的同事们开始研究嗅觉神经细胞的蛋白质受体，但是他们并没有直接研究蛋白质，而是转而研究基因。基因是组成我们身体的蛋白质的“图纸”。通常一个基因负责制造一种蛋白质。既然在嗅觉神经细胞的细胞膜上有蛋白质，那么就一定有对应的基因。通过基因克隆的方法。阿克塞尔找到了一群负责制造蛋白质受体的基因。这一群基因只在嗅觉神经细胞中表达。

   让阿克塞尔出乎意料的是，这一群基因的数量竟然有这么多：大约有1千个负责嗅觉的基因。也就是说，有大约一千种蛋白质受体。这是人类数量最大的一族基因，大约占人类基因总数的1%。（在阿克塞尔得出最初结论的时候，人类基因组计划还没有完成。后来科学家发现，在这1000种基因中，只有不到400种能产生真正的蛋白质受体。人类基因总数实际上也少于10万种。但是嗅觉基因仍然是数量最大的一族基因。）

    其实，阿克塞尔和琳达·巴克在1991年的《细胞》杂志上发表论文只是一个很初步的结果。一千个基因带来了另一个问题：那么多蛋白质是怎么排列的？如果每一个嗅觉神经细胞都拥有这么多蛋白质受体，那么也许无论什么气味分子都会引发神经冲动。这样一来，大脑就很难区分不同的气味。另一种可能性是，一个嗅觉神经细胞只有1种蛋白质受体。这样，一种气味分子只能让某些——而不是全体——嗅觉神经细胞向大脑发出信号。

　　阿克塞尔和他在哥伦比亚大学的同事后来的研究表明，一个神经细胞一种蛋白质的假设是正确的。巴克在做完博士后研究之后离开了阿克塞尔的实验室，独立进行嗅觉方面的研究。他们都发现，拥有特定蛋白质受体的嗅觉神经细胞随机排列在嗅觉上皮。然后，相同的神经细胞延伸到嗅球相同的嗅小球中，通过它的中转，把气味信息传给大脑。



嗅觉原理

    我们能闻到上万种气味，但是对应的蛋白质受体只有不到400种。有些经过职业训练的人可以闻出数万种气味。如果一种蛋白质受体只负责一种气味，那么这些人的全部基因都负责制造蛋白质受体，也不够用。其中的奥妙在于，一种蛋白质受体能够和多种气味分子结合，同时一种气味分子也可能和多个蛋白质受体结合。这样，400种蛋白质组合出上万种气味模式，并非不可能。

　　嗅觉器官作为一种化学感受器，历史非常悠久。还有另外一种用于传递信息的“气味”，叫做信息素。昆虫常常使用这类物质。在哺乳动物中也有类似的现象，但是即便哺乳动物也使用类似的信息素，它们也不是由嗅觉上皮负责感知的。在鼻腔中有一个叫做犁鼻器的组织负责感知信息素。然而，阿克塞尔等科学家发现，人类犁鼻器上感知信息素的蛋白质受体和用于感知气味的蛋白质受体有较大的差别。这说明嗅觉上皮和犁鼻器在很早以前就可能已经分别进化了。一些研究表明，在啮齿类动物中存在“一见钟情”的信息素。但是我们还不知道，人类是否也有类似作用的信息素。迄今为止说明人类信息素存在的最好例子之一，是月经同步现象。一起生活的女性的月经周期常常会变得步调一致。科学家认为，这是女性释放的某些信息素导致了其他女性的激素分泌的变化。

　　对于嗅觉的研究为我们提供了一个了解自身的方式。特别是在人类基因组计划初步完成之后，科学家可以开始考虑，进化是如何塑造了我们的嗅觉。例如，为什么我们有大致相同的嗅觉好恶（当然，这不绝对。有人是嗅觉倒错的）？有些嗅觉基因的突变是否在进化史上改变了我们的饮食习惯？当然，还有一个理查德?阿克塞尔和琳达?巴克，以及今天所有的生物学家都尚不能提供准确答案的大问题：当嗅觉的信号传递到大脑之后，大脑究竟如何处理它们。不仅仅是嗅觉，这实际上是在问，大脑的具体工作机制是什么？

　　在另一方面，对嗅觉的研究也有商业上的利益，尽管短期产生大量效益还不太可能。但是总有一天人们可以设计出让我们更加愉悦的味道。这是伊壁鸠鲁[注]的胜利。

　　[注：伊壁鸠鲁（Epicurus）这个词的形容词形式epicurean在英语中也有“享乐的”、“美食的”之意味。]


稿件来源： 三思科学杂志  
撰文/石青

[ Last edited by tusiji on 2004-10-28 at 19:49 ]