CC BY
204Научные статьи
гнойного среднего отита. Ю. А. / Лебедев, В. Ю. Шахов, Т. А Полухона. // Вестн. оторинолар. - 1999. - № 4. С. 4-7.
4. Патент на полезную модель № 59408 Российская Федерация. Устройство для исследования и лечения заболеваний среднего уха. Патентообладатель Агеенко И. В. Автор: Агеенко И. В. Заявка № 2006130996. Приоритет полезной модели 28.08.06. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.12.06.
5. Патент на полезную модель № 59407 Российская Федерация. Устройство для тимпаноэндоскопии, диагностики и лечения заболеваний среднего уха в управляемом барорежиме. Патентообладатели: Агеенко И. В., Мельников М. Н. Авторы: Агеенко И. В., Мельников М. Н. Заявка № 2006130995. Приоритет полезной модели 28.08.06. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.12.06.
6. Трансмеатальная управляемая барогидродинамическая терапия острых и хронических перфоративных гнойных средних отитов. / И. В. Агеенко, М. А. Рымша, А. В. Староха и др. // Вестн. оторинолар. - 2005. -Приложение № 5. - С. 79-80.
УДК:612. 215. 4
О МЕДИКО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛИ ОБОНЯТЕЛЬНОГО И ВКУСОВОГО АНАЛИЗАТОРОВ. ФИЗИОЛОГИЯ ОРГАНА ОБОНЯНИЯ
(СООБЩЕНИЕ ВТОРОЕ) В. И. Бабияк, В. Н. Тулкин
Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова
(Начальник каф. отоларингологии - Засл. врач РФ, проф. М. И. Говорун) ГУ ФГУ «Санкт-Петербургский НИИ уха, горла, носа и речи Росмедтехнологий» (Директор - Засл. Врач РФ, проф Ю. К. Янов)
«Я перепробовал много вариантов, но длительное время не мог ничего обнаружить. Но когда, наконец, в 1991 г. обнаружил гены - в это было трудно поверить». Из нобелевской речи Ричарда Аксела (2004)
В первом сообщении была отмечена важная биологическая, социальная и эстетическая роль обонятельного анализатора в жизни человеческого сообщества, который во взаимодействии с вкусовым анализатором обеспечивает одну из существенных сторон питания человека и пищеварения - аппетит и то удовольствие, которое он получает от приема здоровой и вкусной пищи.
До последнего времени физиологические механизмы органа обоняния (ОО) таили в себе много загадок, одна из которых заключалась в том, каким образом человек и животные могут воспринимать бесчисленное множество различных запахов при относительно небольшом количестве рецепторных клеток, притом, что возбуждение этих клеток отличается достаточно большим, по сравнению с другими анализаторами, латентным периодом и значительным периодом последействия (следовой реакцией). Еще к середине прошлого века не было четких представлений о сущности влияния запаховых веществ на рецепторные клетки, и от чего зависит качество воспринимаемого ароматического продукта, и не связано ли это с молекулярным строением этого вещества. Кроме того, среди ученых не было четкого представления о поли-этапности обонятельного процесса, хотя уже в середине 20 в. такая гипотеза среди зарубежных исследователей получила свое распространение.
Начиная с 1946 г., когда будущий лауреат нобелевской премии L. Paulling [14] выдвинул концепцию о том, что специфичность запаха определяется формой и размером доранта, и с 1970 г., когда Х Е. Лшооге [7] развил эту концепцию до так называемой стерической теории
запаха, в США начался настоящий бум в области исследования органа обоняния , результатом которого явилось множество фундаментальных работ, проливающих свет на сущностные механизмы этого загадочного органа. Однако к этим трудам мы еще вернемся, а пока приступим к изложению «классических» представлений об ОО, которые составляют базис современных воззрений на его функцию.
Адекватный раздражитель
Адекватным раздражителем ОО являются пахучие вещества (ПВ), к которым относятся химические соединения, обладающие свойством сублимации или испарения, частицы или молекулы которых находятся в воздухе в виде паров, аэрозолей или суспензий.
Обонятельную функцию выполняет участок слизистой оболочки в области верхнего носового хода, занимающий площадь около 5,0 кв. см. Микроскопически в обонятельном эпителии различают поддерживающие, базальные и собственно обонятельные клетки. На каждые 160 обонятельных клеток приходится примерно 100 опорных. Эпителиальный слой обонятельной области пронизывается выводными протоками серозных желёзок, секрет которых увлажняет его поверхность. Количество жидкости, выделяемое этими железами, определяется нервными и химическими влияниями.
Однако пахучими являются лишь те вещества, молекулярная масса которых не превышает 300. Это обусловлено тем, что вещества, молекулярный вес которых ниже указанного значения, обладают летучестью, легко растворимы в воде и в жирах, - свойствами, обязательными для распространения их в окружающем воздухе и адсорбции их слизью, покрывающей обонятельные рецепторы. Связь между химическим составом вещества и его запаховым качеством (пахучестью) длительное время оставалась не вполне выясненной. До настоящего времени нет четкого ответа на то, почему вещества разной природы, молекулярного строения и веса могут обладать сходными запахами. Например, бензальдегид и нитробензол, обладают одинаковым запахом, но первый имеет в качестве запахового (одориферного) ядра атомную группу альдегидов, а второй - группу азота. Кроме того, присутствие определенных атомных групп в молекуле вещества еще не является причиной того, чтобы это вещество вызывало ощущение запаха. Чтобы стать (или быть) веществом, вызывающим ощущение запаха (то есть одоривектором), необходимо, чтобы ненасыщенные валентные связи этого вещества, попадая в жидкую среду обонятельного эпителия, образовали с частицами протоплазмы обонятельных клеток дополнительные соединения, и только после этого в аксоне обонятельной рецепторной клетки появится потенциал действия, несущий в обонятельные центры информацию о качестве запаха.
Установлено, что качество запаха зависит от присутствия в пахучей молекуле особых атомных групп - одориферов и осмофоров, содержащих гидроксильные, карбоксильные и другие химические группы. Полагают, что именно в связывании и блокировании этих групп и заключается действие некоторых современных дезодорантов.
Особое химическое строение ПВ обуславливает их способность понижать поверхностное натяжение воды или слизи, с которой они контактируют на поверхности обонятельного эпителия, и одновременно генерировать на поверхности среды положительный электростатический заряд. Вероятно, эта способность ПВ каким-то образом обуславливает их проникновение в толщу обонятельного эпителия и контакт с обонятельными волосками. Однако следует отметить, что для некоторых обитателей морей «пахучими» могут оказаться и нелетучие вещества (например, для акулы запах крови), лишенные в обычном понимании запаха, как, например, растворы ряда аминокислот, возбуждающие обонятельные рецепторы некоторых рыб.
Одной из важнейших особенностей ПВ является их способность к адсорбции различными адсорбентами, например, активированным углем. Адсорбируемое вещество называется адсор-бтивом. Адсорбция - это процесс концентрирования вещества из окружающей среды (например, из вдыхаемого воздуха) вблизи поверхности раздела фаз (т. е. воздуха и носовой слизи) на поверхности более плотного вещества (адсорбента). Адсорбция является результатом действия свободных молекулярных сил на поверхности раздела фаз (сред) или результатом действия вторичных валентностей. Процессом, противоположным адсорбции является диффузия - проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. В результате двух противо-
положно направленных процессов - диффузии, как следствия универсального теплового (броуновского) движения, и адсорбции (действия молекулярных сил у поверхности раздела сред) устанавливается адсорбционное равновесие, определяемое величиной адсорбции, которая в свою очередь зависит от температуры и концентрации адсорбтива (пахучего вещества) в растворе или от его парциального давления в воздухе. Основная закономерность адсорбции описывается термодинамическим уравнением Дж. У. Гиббса устанавливающего связь между адсорбцией и понижением поверхностного натяжения на данной границе раздела, вызванным образованием адсорбционного слоя. Понижение поверхностного натяжения за счет «реализации» из этого слоя свободных валентностей пахучих молекул увеличивает процесс адсорбции их на поверхности слизи обонятельного эпителия, что влечет за собой повышение концентрации этих молекул и усиление ощущение запаха.
Адсорбция как физико-химическое явление, широко распространена в биологических средах и играет большую роль в жизненно важных биохимических процессах организма. Это объясняется тем, что адсорбция является первой стадией всякого поглощения, всасывания или воздействия на поверхность данного органа веществ из окружающей среды, будь то ферменты, гормоны, питательные фракций или молекулы ПВ.
Функция обоняния основана на одном из видов хеморецепции, отличающимся тем, что ПВ, обычно присутствующие в окружающей среде в низких концентрациях, способны вызывать отчетливые обонятельные ощущения, которые являются лишь сигналами о присутствии этих веществ в окружающем воздухе.
Возможность протекания сложных физиолого-психических процессов на базе обонятельных образов хорошо иллюстрируется наблюдениями слепо-глухонемой О. И. Скороходовой, опубликованными ею в книге «Как я воспринимаю окружающий мир» [6]. О значении для неё обоняния можно судить не только на основании её наблюдений. Воспитатель и учитель О. Скороходовой замечательный учёный и педагог И. А. Соколянский рассказывал, что, пользуясь обонянием, слепо-глухонемые люди способны сосчитать количество человек, находящихся в комнате. О. И. Скороходова могла, пользуясь только обонянием, находить своего учителя в саду. Он помнит, как однажды, подойдя к нему, она спросила:
- Что написано сегодня в «Правде»?
- Откуда Вы знаете, что я читаю «Правду»?
- По запаху. (Типографская краска в разных издательствах несколько отличается по составу;
обычно мы это не улавливаем, но для слепо-глухонемых этого признака достаточно для
соответствующих заключений [1, 6]
Дальнейшая цепь физиологических или патологических реакций зависит от химического состава вещества - носителя запаха. Однако «внутренняя сущность» этих реакций, процесс трансформации пускового сигнала в эффективный биоэлектрический импульс, оставалась неясной до последнего времени. Предлагали физические, химические и многие другие теории, которые однако, до настоящего времени не нашли своего окончательного подтверждения (см. ниже).
Классификация пахучих веществ
Рассматривались также и различные вопросы классификации пахучих веществ, основывающиеся на различных «теориях» обоняния. Во многом эти классификации носили умозрительный характер. Из принципов, которые лежали в основе этих классификаций, следует отметить такие, как «органолептический», «структурный», «специфический», т. е. классификации строились по принципу принадлежности к какому-либо классу соединений или ПВ.
Так, H. Zwaardemaker (1927) предложил все существующие пахучие вещества разделить на 9 классов: I - класс эфирных запахов (фруктовые, запахи пчелиного воска, смол, эфиров); II - ароматические (камфора, горький миндаль, лимон); III - бальзамические (запахи цветов, ванилин); IV - амбромускусные (амбра, мускус); V - чесночные (ихтиол, хлор, бром); VI - пригорелые (поджаренный кофе, табачный дым, пиридин); VII - каприловые (сыр, разлагающийся жир)^Ш - противные (запахи белены, клопов); IX - тошнотворные (трупный запах) [20].
G. Henning (1919) полагал, что специфический характер обонятельного ощущения зависит от того, какая связь и в каком месте молекулы пахучего вещества установилась между ее
атомными группами и тем, что он называет «ядром молекулы» (так называемая орто-, пара-, мета- и др. связи). На основании химической структуры G. Henning разделил все ПВ на 6 основных групп: пряные, цветочные, фруктовые, смолистые, пригорелые, гнилостные. Все остальные запахи, по мнению автора, занимают промежуточное положение, «отдаляясь» по своему качеству от одного и «приближаясь» к другому. Принцип своей классификации Г. Хеннинг изобразил графически в виде трехгранной призмы, известной под названием обонятельной призмы Хеннинга. По углам призмы размещены 6 указанных выше основных запахов. Если соединить углы прямыми линиями, лежащими в плоскости граней, то все промежуточные запахи будут лежать на этих линиях, а степень участия в этом промежуточном запахе основных четырех запахов, лежащих на углах грани, будет определяться расстоянием точки, соответствующей искомому запаху, до граней призмы [11].
Однако и эта классификация, несмотря на кажущуюся «научность», грешит многими недостатками, хотя заложенный в ней принцип «ядра молекулы» и пространственной локализации ненасыщенных химических связей кажется реальным. Противоречия этой теории видны из следующего примера. Так, вещества разной химической структуры могут вызывать одно и то же по качеству обонятельное ощущение, например эфирные вещества растений рода Vanilla (ваниль) и синтетическое вещество ванилин (3-метокси-4-бензальдегид).
Другой ученый R. Heininks (1919) предложил классификацию ПВ, основанную на их свойстве поглощать ультрафиолетовое излучение, основываясь на физическом явлении, характеризующимся тем, что для каждого ПВ имеется свой спектр поглощения этих лучей. На основании этого Р. Хай-нинкс выделил 7 основных групп запаховых веществ, причем каждая из этих групп дает полосы поглощения ультрафиолетового излучения только на определенном участке его спектра [цит. по 16].
Теория Р. Хайнинкса нашла свое косвенное подтверждение в физиологических экспериментах, при помощи которых удалось установить, что ПВ, обнаруживающие свойство поглощать высокочастотную часть спектра УФ-излучения, вызывают симпатико-тонический эффект, а вещества, поглощающие низкочастотную часть спектра, - ваготонический эффект. Идея «лучевой» теории Хайнинкса нашла свое продолжение в «колебательной теории» Г. Дайсона [10].
Существует мнение, что создание единой всеобъемлющей классификации ПВ, основанной на моно принципе, объединяющем строение ПВ, и на учете специфики запаха, невозможно или крайне затруднительно. Это обусловлено тем, что «чувственные» (субъективные) критерии находятся в зависимости от множества материальных свойств ПВ (химического состава, агрегатного состояния, степени сублимации, физико-химических свойств, пространственного строения молекул, числа и порядка локализации свободных валентностей и т. д.). На вопрос, какое из этих свойств может лечь в основу ведущего классификатора (принципа) при создании классификации пахучих веществ - ответить невозможно. Тем не менее, классификации нужны и они существуют. В основном эти классификации созданы для практического применения в различных отраслях науки, промышленности, медицины, парфюмерии и др. Такие классификации являются, по существу, перечнем запахов, объединенных в достаточно пестрые по своему составу группы ПВ. Ниже, в качестве примера, приводится один из возможных вариантов таких классификаций пахучих веществ
1. Душистые: цветочные, фруктовые, пряные, синтетические.
2. Пищевые: запахи всевозможных пищевых продуктов и изделий из них (сыры, копчености, выпечка и т. д.).
3. Технические: горюче-смазочные материалы, спирты, растворители, агрессивные жидкости, плотные вещества, обладающие способностью к сублимации.
4. Биологические и продукты жизнедеятельности (половые феромоны, пот, продукты выделения и др.).
5. Запахи процессов гниения и брожения.
6. Лекарственные специфические, в том числе запахи лекарственных трав (полынь, шалфей, ромашка, мята и т. д.).
7. Неопределенные, индифферентные.
8. Запахи горения (дым, гарь)
9. Запахи всевозможной пыли (табачной, мучной, навозной и т. д.).
Научные статьи
Наибольшее распространение в природе и быту имеют душистые вещества (одоранты), которые определяют как органические соединения с характерным запахом. Как правило, одоранты - это серосодержащие соединения, которые по составу классифицируют на меркаптан-ные (этилмеркаптан, калодорант и др.) и сульфидные (диэтилсульфид, диметилсульфид и др.). Они применяются при производстве различных парфюмерных и косметических изделий, моющих средств, пищевых и других продуктов.
Теории обоняния
Усилия по разработке «теорий» обоняния предпринимаются учеными в течение последних полутора веков, и только начиная с середины 20 в., эти усилия обретают подлинно научную форму. Как отмечает известный американский ученый Дж. Леффингвелл [12] [Leffingwell J. C., 2001], начиная с 1938 г., когда Г. Дайсон [10] [Dyson G. M., 1938] выдвинул гипотезу о том, что издаваемые запахи обусловлены инфракрасным излучением (фактор IR), вызывающим резонансные явления в молекулярных структурах рецепторных клеток, и, тем самым, в зависимости от спектра этого излучения, устанавливают качественную специфику запаха, получила распространения т. н. колебательная теория (КТ). Хотя еще в 1919 г. примерно такая же концепция была высказана Р. Хайнинксом в отношении УФО. В случае с фактором IR колебательная теория нашла некоторое свое подтверждение в опытах R. H. Wright (1958) [18], проведенных им в 1950-х годах с использованием инфракрасного спектрометра для анализа одоран-тов. Однако при более детальных исследованиях оказалось, что у различных по запахам оптических энантомеров (оптических антиподов) ментола и карвона [12] инфракрасные спектры не обнаружили существенных различий, что фактически опровергало универсализм КТ. Однако, как следует из перевода С. М. Андреевым работы Дж. Леффингвелла, этим автором (Дж. Л.) в августе 2001 г. была опубликована в Интернете (http://www. leffingwellcom/chirality/ chirality. htm) информация о более чем 100 пахучих веществах, представленных в виде энта-мерных пар, которые явно различаются по запаху. Данный факт подтверждает возможность существования колебательной теории обоняния Г. Дайсона, что также свидетельствует из фундаментального труда английского ученого Л. Турина [17] [Turin L., 1996), который, взяв за основу принцип колебательной теории, предложил новый механизм передачи биологического сигнала, основанный также на волновом процессе, вызванном колебаниями молекул. Автор предположил, что содержащиеся в рецепторных клетках белки работают по принципу «биологического спектроскопа», а в основе механизма передачи возбуждения лежит процесс «упругого туннелирования электронов». Как указывает в своей статье Л. Турин, обонятельный рецептор приходит в активное состояние при контакте с одорантом лишь в присутствии b-никотинамидадениндинуклеотидфосфата (b-НАДФ или NADPH) при ферментативно восстановленной его форме. Как отмечает J. C. Leffingwell , НАДФ, являясь специфическим ко-ферментом, восстановленная форма которого образуется в процессе пентозофосфатного цикла. Функция этого кофермента заключается в переносе протона [H+] и двух электронов [e-] на окисленные предшественники в процессе восстановительных реакций. Это означает, что НАДФ участвует в катаболических и анаболических реакциях, и по аналогии с АТФ, который снабжает клетку энергией, обеспечивает обонятельный рецептор восстановительной функцией.
В указанном аспекте, согласно теории Л. Турина, после воздействия НАДФ на рецептор, последний функционирует как «НАДФ-диафораза», поскольку в обонятельных нейронах зафиксирован высокий уровень диафоразной активности [19].
В работе Л. Турина рассматриваются различные аспекты процесса туннелирования электронов, роль цинка и некоторых белков (например G-белка, рибонуклеотидов и др.) в обонятельном процессе и другие возможные процессы, обеспечивающие функцию обоняния. Более подробные сведения о глубинных процессах, лежащих в основе этой функции заинтересованный читатель найдет в специальной литературе. Мы же в заключение этого раздела коснемся проблемы «муль-тмодальности» обонятельной функции, т. е. вопроса о том, каким образом обоняние способно различать такое колоссальное количество запахов при относительно небольшом количестве ре-цепторных клеток, какое не способен различать ни один другой анализатор в сфере своих специфических раздражителей, а также коснемся вопроса о существовании генов обоняния.
В своей статье «Обоняние как комбинаторный процесс» Б. Малник и соавторы [9] [Malnic B. е. o.,1999] из Гарвардской медицинской школы, а также [15] Б. Рубин (2001) и ряд японских авторов попытались дать ответ на указанную выше проблему. Они предположили (и практически подтвердили правдоподобность своего предположения путем специальных экспериментов), что механизм обоняния у млекопитающих работает по так называемому комбинаторному принципу (см: http://n-t. ru/tp/ns/ok. htm), обеспечивающему распознавание и переработку сигналов одоранта. По утверждению авторов этой теории, система обоняние использует не отдельный рецептор, настроенный только на данный запах, как это утверждалось в некоторых старых «теориях», а своеобразный «рецепторный алфавит», комбинация «символов» которого позволяет создавать бесчисленное множество репертуарных комбинаций, настраивающихся на разнообразные запахи. Этот принцип подобен буквенной организации слов или нотно-ок-тавной сочетанности музыкальных произведений. Только в обонятельном процессе вместо букв и нот участвуют комбинации рецепторных клеток, которые способны настраиваться на широкую гамму ароматов. Авторы сравнивают комбинаторику обонятельного процесса со структурой генетического кода, в котором четыре нуклеотида (аденин, цитозин, гуанин и тимин) обеспечивают создание огромного количества последовательностей генов.
При помощи специальной технологии (программа Shockwave корпорации Makromedia; [17; 18]) , позволяющей визуализировать в текущем времени наборы рецепторных клеток, возбуждающихся при воздействии разных запахов, было установлено, что в разных комбинациях при разных запахах могут участвовать ряд прежних и ряд новых клеток, образуя различные репер-туары рецепторов. Такой принцип позволяет, по закону варьирования сочетаний и перестановок, использовать ограниченное число рецепторных клеток в различении практически бесконечного числа запахов. Поскольку рецепторная клетка реагирует открытием кальциевых каналов, разработанный метод позволяет количественно измерять поток кальциевых ионов (которые фактически и визуализируются на дисплее установки), этот метод позволил установить,:
1) каждый отдельный рецептор может распознавать много одорантов (рис. 1; вариант 1, 2, 3 ® a);
2) отдельный одорант может распознаваться многими рецепторами (5 ® c, d, e);
3) один одорант может распознаваться только одним рецептором (4 ® b);
4) различные запахи распознаются различными комбинациями рецепторов (2 ® b, c, e) или,
например, (3 ® a, d, e).
Рис. 1. Схематическое изображение комбинаторного процесса распознавания малым числом рецепторов большого числа запахов.
Примечание:Числами обозначены разные одоранты, буквами - различные рецепторные клетки.
Гены рецепторных клеток органа обоняния человека
Проблема изучения структуры генов обонятельных рецепторов человека за последнее десятилетие стала одной из наиболее актуальных в изучении генома человека. Наибольшего успеха в этой области, по нашему мнению, достигли ученые из центра Вейсманновского института в Израиле (Weizmann Institute of Science Crown Human Genome Center; полные данные
можно найти в общедоступной базе данных HORDE на сайте [http: //bioinformatics. wezmann. ac. il/HORDE], а также в работе Питера Момбертса [13] [Mombaerts P., 2001] и в трудах ученых корпорации Senomyx, в которых приведены результаты по идентификации и физическому клонированию 347 предполагаемых полномерных генов обоняния рецепторов человека.
В контексте данного раздела мы не можем не обратиться хотя бы в общих чертах к важнейшему событию, имеющему свою особенную рефлексию в область ринологии - присуждение Нобелевской премии в 2004 г. двум американским ученым Ричарду Акселю (R. Axel) и Линде Бак [8] (L. B. Buck, 2000) за исследования в области изучения обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния («For their discoveries of odorant receptors and the organization of the odorant receptors and the organization of the olfactory system», - так была сформулирована Нобелевским комитетом по медицине и физиологии дефиниция научного открытия этих авторов.
В частности, авторы открыли семейство генов, генерирующих протеины, которые фиксируют на своих структурах молекулы одорантов. Результаты исследования позволили объяснить, являвшейся до 2004 г. Загадкой, сущность механизма работы органа обоняния. Одна из Задач авторов состояла в том, чтобы установить, какие из многочисленных рецепторов возбуждаются при действии данного одоранта. Было установлено, что каждый из двух миллионов обонятельных нейронов преобразует сигнал только от первого гена из 1500 генов обонятельного рецептора, или только от одной аллели, представляющей собой набор различных форм одного гена, расположенных в одинаковых локусах гомологичных (парных) хромосом. Эта геномная структура определяет варианты развития (проявления) одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке может присутствовать не более двух аллелей одновременно.
Обонятельные сенсорные нейроны головного мозга, связанные с определенными рецепторами, по образному выражению авторов, приходя в возбуждение, «...как бы демонстрируют фильм, экспонируемый в пространственно инвариантные местоположения в мозге, чем создают топографическую карту обонятельной информации». В целом, результаты этого исследования открывают картину возникновения механизма связи от обонятельных рецепторов через нейроны к обонятельным «полям» коры головного мозга. При этом, как полагают авторы, механизм выбора рецептора является самым важным в формировании обонятельного восприятия и определенного ароматического образа. Далее в обонятельном процессе, как его результат, следуют ассоциации, эмоции, персеверации и другие феномены, возбуждаемые в подкорковых центрах.
Проблема «обонятельной генетики» не ограничивается органом обоняния, поскольку, если действительно существуют гены, ответственные за эту древнейшую анализаторную функцию, то также должны существовать и гены рецепторов других органов чувств, что делает «генную теорию» обоняния весьма перспективной в отношении разработки методов лечения, или, по крайней мере, установления причины врожденной или наследственной тугоухости и глухоты.
Психофизиологические функции органа обоняния
Функции обоняния, как и функциям других органов чувств, присущи определенные психофизиологические свойства, такие как порог возбуждения (порог обоняния), латентный период, адаптация, сенсибилизация и некоторые другие.
Порог обоняния (ПО) характеризуется минимальной концентрацией ПВ, при которой возникает ощущение запаха. ПО зависит от множества факторов: от химической природы ПВ, его агрегатного состояния и температуры, от качества носового дыхания, состояния рецепторного аппарата и ЦНС в целом. Немаловажную роль в повышении чувствительности органа обоняния играет тренировка к различию запахов (парфюмеры, дегустаторы), а также «стрессовая» настройка к восприятию запаха как сигнала тревоги в экстремальных ситуациях, и др. Обонятельная чувствительность к некоторым ПВ чрезвычайно высока.
Человек ощущает присутствие тринитробутилтолуола в концентрации около 5-10 г/см3 воздуха, то есть около 10 млн. молекул в указанном объеме Чувствительность обоняния собаки к масляной кислоте измеряется лишь 10 тыс. молекул в 1см3, то есть, по сравнению с чувствительностью человека к запахам, - в 1000 раз выше. У собаки обоняние развито в 10 000 раз сильнее, чем у человека. Например, охотничьи собаки по запаху находят дичь на расстоянии 800-1000 м, в то время как человек может ощутить «запах пера» дичи лишь при непосред-
ственном контакте с ней. Еще большей чувствительностью к запахам, растворенным в воде, обладают некоторые обитатели морей. Так, акула ощущает запах крови в воде на расстоянии нескольких километров. И уж поистине фантастична чувствительность органов обоняния у некоторых насекомых. Так, самец бабочки тутового шелкопряда улавливает запах бамбикола s полового феромона бабочки-самки - при концентрации его в воздухе всего лишь 100 молекул в 1см3; при такой ничтожной концентрации для возбуждения отдельного обонятельного рецептора, по-видимому, достаточно одной молекулы ПВ.
По чувствительности органа обоняния млекопитающих делят на макросматиков, у которых чувствительность этого органа чрезвычайно высока (к ним относится большинство видов животных) и микросматиков (обезьяны, человек), у которых органы обоняния развиты слабо. К микро-сматикам относятся также птицы, тюлени, усатые киты. Существуют также и аносматики, у которых типичные органы обоняния отсутствуют, например зубатые киты. На рисунке 2 приведены сравнительные величины первичных обонятельных центров человека и некоторых животных.
а
6Р
Рис. 2. Сравнительные величины первичных обонятельных центров человека и млекопитающих животных (по А. В. Минору, 1974)
Примечание: а, б - макросматики; в,г - микросматики (обонятельные луковицы зачернены): а - кошка, б - лисица, в - шимпанзе, г - человек.
Чувствительность органа обоняния отличается непостоянством и зависит, как уже отмечалось выше, от многих внешних и внутренних факторов, а также от возраста. Наивысшая чувствительность обонятельного анализатора отмечается при температуре окружающего воздуха 37. . . 38° С. При дальнейшем повышении температуры острота обоняния не изменяется. Повышенная влажность воздуха благоприятствует восприятию запахов, предварительное осушение воздуха оказывает на функцию восприятия запахов противоположный эффект.
Наибольшей чувствительностью к запахам обладали лица в возрасте 8-10 лет, незначительно уступают им лица в возрасте 16-18 лет, чувствительность в возрасте 21-39 лет в три раза ниже, чем у лиц первой возрастной группы, и в два раза ниже, чем у лиц второй возрастной группы. У пожилых и престарелых лиц обоняние без видимых патологических причин может быть в 10 раз ниже, чем у лиц молодого возраста. Это объясняется не только возрастной инволюцией обонятельного анализатора, как части ЦНС, но и местными изменениями, связанными с дистрофией СО носа, уменьшением количества и изменением ферментного состава специальной слизи, выделяемой опорными клетками обонятельного эпителия.
Так же, как и показатель чувствительности (порог обоняния), изменчивости подвекжен и другой показатель обонятельной функции - латентный период, который для здорового человека в среднем равен 0,4-0,5 с. Его изменчивость может быть обусловлена теми же внешними и внутренними факторами, что и изменчивость чувствительности, однако в еще большей степени она зависит от степени диффузии ПВ из объема воздуха, находящегося в обонятельной щели. В свою очередь, степень диффузии зависит от давления воздушного потока в носовых ходах и сопротивления, оказываемого последнему так называемым носовым клапаном, образованным анатомическими и физиологически возникающими сужениями носовых ходов. Чув-
ствительность и латентный период обонятельного анализатора во многом зависят от его свойства адаптироваться к действующему ПВ.
Физиологический смысл явления адаптации анализатора заключается в утрате им остроты ощущения по мере действия адекватного раздражителя. Адаптация предшествует утомлению и, по-видимому, является защитным механизмом, предшествующим последнему. Адаптацию связывают с центральными механизмами нервной деятельности, такими как отрицательная индукция, охранительное торможение и др. Однако несомненный интерес представляют и физико-химические процессы, происходящие на поверхности сред в обонятельной области, в результате которых наступает предел насыщения рецепторов пахучим веществом, совпадающий с пиком адаптации. Лица, работающие с сильными пахучими веществами, неизменно в течение непродолжительного времени (3-5 недель) привыкают к ним и перестают их ощущать. Этот феномен определяют как полную адаптацию. При полной адаптации к одному запаху, по-видимому, совпадающей с изотермой адсорбции Ленгмюра в фазе предельного насыщения, чувствительность обоняния к другим запахам сохраняется. Это явление может свидетельствовать либо о том, что в процессе адаптации «инактивируются» лишь определенные, специфические к данному запаху рецепторы, при этом другие рецепторы остаются «работоспособными», либо у всех или у большей части рецепторов гасятся лишь определенные связи (например, специфические валентности молекул, из которых состоят органеллы рецепторных клеток), а другие специфические связи сохраняются для восприятия других, специфических именно для этих валентностей, запахов. Так или иначе, но этот феномен находит свое объяснение в «комбинаторной» теории обоняния [9].
Не до конца выяснена и роль особого пигмента, содержащегося в рецепторных обонятельных клетках. Известно только, что у макросматиков он имеет более темную окраску, чем у мик-росматиков. Предположения, что данный пигмент является облигатным химическим веществом, объединяющим в себе свойства медиатора и фермента, участвующих в рецепции ПВ, требуют серьезной экспериментальной проверки. Зато последующие этапы передачи сигнала в обонятельной системе изучены более детально и главным образом благодаря методу регистрации биоэлектрических потенциалов.
Впервые В. Я. Данилевский (1891) отметил, что в ответ на дей ствие ПВ в ЦНС могут быть зарегистрированы определенные реакции. В дальнейшем С. А. Саркисову и М. Н. Ливанову удалось зарегистрировать биоэлектрический потенциал в области обонятельной луковицы и обонятельной зоны коры больших полушарий кролика. Они же обнаружили изменение этих потенциалов под влиянием адекватных раздражителей обонятельного анализатора. Дальнейшие исследования органа обоняния с помощью электрофизиологических методов позволили выявить ряд особенностей строения, хода проводников и функций этого органа [2, 5].
При действии ПВ на обонятельный эпителий его поверхность становится электроотрицательной по отношению к глубжележащим тканям и к границе сред «воздух/слизь». Эта электрическая реакция, регистрируемая в виде электроольфактограммы, складывается из ответов большого числа отдельных рецепторных клеток (рис. 3, а). В каждой клетке возникает потенциал, приводящий к появлению в ее аксоне импульсов, или к изменению частоты текущих импульсов. Обычно рецепторы отвечают увеличением частоты импульсов на действие ПВ, однако некоторые вещества могут вызывать понижение частоты импульсов, либо не вызывать ее изменения.
Методом регистрации ответа одиночного рецептора (б) установлено, что рецепторы обладают как бы специфической избирательностью в отношении определенных ПВ. Совокупность обонятельных рецепторов многих типов, и их огромное количество, служат основой для различения большого числа запахов. И действительно, общее число рецепторов у кролика составляет 10 млн, у человека - 40 млн, у самца бабочки тутового шелкопряда - 40 тыс. Означает ли это, что каждая клетка или группа идентичных клеток обладает специфической чувствительностью только к определенному ПВ, - вопрос до конца не решенный, однако электрофизиологические исследования позволяют предполагать наличие специфической чувствительности у обонятельных рецепторов, которая обусловлена, как было показано выше, формированием разнообразных комбинаций обонятельных рецепторов, каждая из которых специфична к определенному одоранту.
Рис. 3. Электроольфактограммы, регистрируемые от обонятельных рецепторов лягушки при раздражении пахучими веществами (по А. В. Минору, 1974).
Примечание: а - суммарная реакция обонятельного эпителия; б - ответ одиночного рецептора; стрелками указаны моменты кратковременного воздействия пахучего вещества.
Выводы: Из вышеизложенного следует, что орган обоняния существенным образом отличается от других органов чувств. Прежде всего, это касается природы его адекватного раздражителя, а также сущности процесса рецепции этого адекватного раздражителя. Рецепторные обонятельные клетки обладают высокой чувствительностью к различным запахам и весьма низкой толерантностью к агрессивным парам и аэрозолям многочисленного класса химических веществ, пылевым субстанциям, низкой влажности и повышенной температуры вдыхаемого воздуха. Они весьма чувствительны к разного рода инфекциям, бытовым вредностям, а также нередко утрачивают свои функциональные особенности при различных заболеваниях нервных вышестоящих образований. Эти вопросы, а также методы исследования обонятельного анализатора будут изложены в следующей публикации. (Начало см. «Рос. оторинолар.» № 2/2008)
ЛИТЕРАТУРА
1. Бронштейн А. И. Вкус и обоняние. Химические анализаторы ротовой и носовой полости. /А. И. Бронштейн. М. - Л.,1956. Изд-во Ак. наук СССР. - 59 с.
2. Данилевский В. Я. Zur Frage uber die elektromotorishen Vorgange in Giehirn als Ausdruk seines Tatigkeitszustandes. /В. Я. Данилевский (W. Danilewsky) //Zbl. Physiol. 1891, 5, 1, 1.
3. Павлов И. П. Лекции о работе больших полушарий головного мозга. / И. П. Павлов. Избранные произведения. Под общ. ред. Х. С. Коштоянца. М., Госполитиздат, 1951. - С. 150-256.
4. Пашутин В. О. О строении слизистой оболочки regionis olfactoryiae у лягушки. /В. О. Пашутин. //Мед. вестн.., 1872. - № 38. - С. 329; № 39. - С. 343; № 40. - С. 397.
5. Саркисов С. А. О биоэлектрических явлениях и их локализации в коре головного мозга / С. А. Саркисов, М. Н. Ливанов. //Сов. невропатол., психиатр. и психогигиена. 1933, т. 2. в. 10.
6. Скороходова О. И. Как я воспринимаю окружающий мир. /О. И. Скороходова. М. - Л., Изд. Ак. пед. наук СССР. 1947. - 256 с.
7. Amore J. E. Molecular Basis of Odor / J. E. Amore, C. C. Thomas. - N.-Y.: Springfield, 1970. - 212 p.
8. Buck L. B. The molecular architecture of odor and pheromone sensing in mammals / L. B Buck // Cell. - 2000. -Vol. 100, № 6. - P. 693-702.
9. Combinatorial receptor codes for odors / B. Malnic, J. Hirono, T. Sato еt al// Cell. - 1999. - Vol. 96, № 5. P. 713-723
10. Dysson G. M. The Scientific Basis of Odor / G. M. Dysson // Chem. Ind. - 1938. - Vol. 54, № 3. - P. 647-651.
11. Henning H. Der Geruch. /H/Henning. Leipzig, 1924.
12. Leffingwell J. C. Odour Perception and Flavor-Base. /J. C. Leffingwell. 2001.
13. Mombaerts P. The human repertoire of odorant receptor genes and pseudogenes / P. Mombaerts // Annual Rev. Genomics Hum. Genet. - 2001. - Vol. 2. - P. 493-510.
14. Pauling L. Molecular architecture and Biological Reactions / L. Pauling // Chem. Engl. News. - 1946. - Vol. 24. - P. 1375.
15. Rubin B. D. Spatial coding of enantiomers in the rat bulb / B. D. Rubin, L. C. Katz // Nat Neurusci. - Vol. 4, № 4. - P. 355-356.
16. Skramlik E/ Handb. Physiologie der Niegeren Sinne. / E. Skramlik. Bd. 1, Leipzig, 1926.
17. Turin L. A spectroscopie mechanism for primary olfactory reception / L. Turin // Chem. Senses. - 1996. - Vol. 21. - P. 773-791.
18. Wright R. H. The Sense of Smell / R. H. Wright - CRC Pess, Boca Raton. - 1982. - 172 p.
19. Zhao H. NDPH-diaphorase localization in the olfactoriy system / H. Zhao, S. Firestein, C. A. Greer // Neuroreport. - 1994. - Vol. 6, № 1. - P. 149-152.
20. Zwaardemaker H. The sense of smell. / H. Zwaardemaker. //Acta oto-laryng., 1927. - № 11. - P. 3-15
