Choć może wydawać się to dziwne, badacze nie wiedzą, jak działa mechanizm ludzkiego węchu. To znaczy nie wiedzą w szczegółach. Wiadomo, że receptory w kanałach nosowych to około 50 mln komórek. To z nich pochodzi odpowiedni sygnał do płatów czołowych kory mózgowej. Badacze wiedzą też, a może bardziej domyślają się, że węch jest najstarszym z naszych zmysłów.

Jedno pachnie, drugie nie
Zapach nam, wąchającym, kojarzy się z czymś niematerialnym. Błąd. To nic innego jak związek chemiczny, cząsteczka, ba, nawet pojedynczy pierwiastek, który działa na receptory w naszym nosie. W zasadzie są dwa warunki, by „coś” stało się zapachem. Musi być lotne. To znaczy musi parować oraz musi przedostać się przez błonę śluzową, którą „opakowane” są receptory węchowe. To oczywiście nie znaczy, że wszystko, co lotne, ma zapach. Dobrym przykładem jest np. para wodna, która przecież nie pachnie. Podobnie tlen czy azot, ale równocześnie nieprzyjemny zapach chloru zna chyba każdy, kto używał środków dezynfekujących toaletę.

Gdy wraz z wdychanym powietrzem do kanałów nosowych dostają się związki zapachowe… no i właśnie tutaj zaczyna się problem. Przedostają się przez błonę śluzową i zaczepiają się o receptory. Skąd receptor wie, jak ma pachnieć citroetalon (cytrusy), a jak 3-etoksy-4-hydroksybenzaldehyd (zapach wanilii)? To nie nos ani nie receptor wie, jak co ma pachnieć, tylko nasz mózg. Receptory przekazują informacje o tym, co złapały, a nasz mózg konkretnemu sygnałowi przypisuje znaczenie albo inaczej – wrażenie zapachu. Ten sam związek może być przez różne osoby odczuwany w inny sposób, choć mózg najprawdopodobniej dostaje w obydwu przypadkach taką samą informację. Wrażenie zapachu może się zmieniać nawet u jednej osoby w zależności od pory dnia czy roku. No dobrze, ale skąd w takim razie konkretny receptor wie, jaki związek się do niego przyczepił? I to jest pytanie, na które na razie nie da się z całą pewnością odpowiedzieć.

Rozmiar, kształt… a może coś jeszcze?
Do całkiem niedawna funkcjonowało przekonanie, że receptory rozpoznają wielkość i kształt poszczególnych cząsteczek chemicznych. Inaczej wygląda przecież aldehyd 2-fenylopropionowy (zapach różany), a inaczej mentol (zapach mięty). Ten ostatni zbudowany jest z 20 atomów wodoru i 10 węgla, podczas gdy zapach róży wywołuje u nas cząsteczka składająca się z 7 atomów węgla i 6 wodoru. A więc wielkość i kształt cząsteczki decydują o tym, jaki sygnał wysłać do mózgu. W połowie lat 90. XX wieku młody naukowiec z University College London, Luca Turin, zaproponował teorię konkurencyjną. W czasie swoich badań zauważył, że niektóre molekuły, choć (prawie) tych samych kształtów, dawały wrażenie zupełnie innego zapachu. Zauważył też przypadki, że dwie cząsteczki skrajnie różniące się pod względem kształtu i wielkości „pachniały” bardzo podobnie. To wtedy Luca Turin sformułował wniosek, że to nie kształt cząsteczki, tylko częstość jej drgań jest dla receptorów zapachu „znakiem rozpoznawczym”. Jak więc mechanizm wąchania ma działać w praktyce? Odpowiedź, przynajmniej częściowa, przyszła kilka lat później. Pod koniec 2006 roku ukazała się praca innego badacza z University College London, Andrew Horsfielda, który przeprowadził symulacje komputerowe mechanizmu węchu.

W symulacjach założył, że cząsteczka zapachowa – obrazowo opisując – wchodzi do zagłębienia, kieszonki znajdującej się w receptorze. Tam w jej kierunku wysyłany jest elektron, który odbijając się od poszczególnych atomów cząsteczki zapachowej (jak kule bilardowe), wprawia ją w drgania. Te drgania są ściśle zależne od tego, jak cząsteczka wygląda, z jakich atomów się składa i jak te atomy są względem siebie rozlokowane. Nawet najmniejsza różnica w budowie dwóch cząsteczek powoduje, że drgają one w inny sposób. To drganie sprawia, że receptor wysyła do mózgu odpowiednią informację. Dla każdej cząsteczki inną, bo każda cząsteczka drga w trochę inny sposób. Czy tak to działa w rzeczywistości? Model, jaki Horsfield stworzył, doskonale pasuje do rzeczywistości. Zgadza się np. szybkość przekazywanej informacji. Zgadza się także wrażliwość na wyczuwanie zapachów. W rzeczywistości w przypadku niektórych związków wystarczy 8 cząsteczek, by w mózgu powstał impuls nerwowy. – No cóż, zaproponowany mechanizm wydaje się bardzo skomplikowany – powiedział prof. John Mitchell, chemik z University of Cambridge, specjalista od substancji zapachowych. – Ale natura bywa skomplikowana – dodaje. Oczywiście to, że model komputerowy dobrze opisuje rzeczywistość, wcale nie musi znaczyć, że zapisane w nim mechanizmy występują w naturze. Autor obliczeń Andrew Horsfield podkreśla, że kolejnym krokiem powinno być sprawdzenie jego toku rozumowania na dużej próbce pacjentów czy ochotników.

Wiry, fałdy, kanały
Jeszcze ciekawiej do problemu… nosa podeszli badacze z Imperial College London ( badania sfinansowane były przez Biotechnology and Biological Sciences Research Council). Naukowcy zadali sobie pytanie, jak cząsteczki zapachowe docierają do receptorów. Jak wygląda przepływ powietrza wewnątrz kanałów nosowych. Dzięki nowoczesnej technice obrazowania doszli do wniosku, że ten ruch w czasie wdechu jest bardziej złożony niż ruch powietrza wokół skrzydeł lecącego odrzutowca. Badacze najpierw stworzyli model komputerowy, a później, z pleksi, model rzeczywisty. Badano, w których miejscach powietrze tworzy wiry, a w których jego przepływ jest wsteczny. Naukowcy chcieli się też dowiedzieć, czy w akcie pojedynczego wdechu cała porcja powietrza przechodzi przez nos do jamy gardła, czy też jego część zostaje w jamie nosowej na dłużej. Symulowano też kaszel, kichanie i siąkanie. Eksperyment przeprowadzono tak dokładnie, że naukowcy z pewnym przybliżeniem mogli śledzić ruch pojedynczych cząsteczek we wdychanym powietrzu. – „Od cichego i spokojnego oddychania po gwałtowne kichanie – chcemy dokładnie wiedzieć, co dzieje się w nosie” – powiedział prof. Bob Schroter, lider grupy badawczej.

Wyniki badań zaskoczyły naukowców. Sama jama nosowa jest bardzo nieregularna. Pełno w niej zakamarków, fałd i niesymetrycznych załamań. Te największe to trzy małżowiny nosowe (górna, środkowa i dolna), które rozdzielają strumień powietrza na części. Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, że wnętrze nosa pokryte jest dobrze ukrwioną błoną śluzową. Ją z kolei – w zależności od obszaru jamy nosowej – pokrywa nabłonek oddechowy, migawkowy, a w okolicy węchowej – nabłonek węchowy. No i włoski. One powodują, że ruch powietrza w ich sąsiedztwie albo wręcz pomiędzy nimi jest praktycznie niemożliwy do opisania. Powietrze wciągnięte w czasie wdechu nie przechodzi zaraz do jamy gardła, tylko jeszcze przez dłuższą chwilę wiruje w okolicach, gdzie rozmieszczone są receptory węchu. Czy powodem może być to, że receptory węchu potrzebują trochę czasu na zadziałanie ? A może w przypadku bardziej złożonych zapachów nasz mózg potrzebuje danych płynących z nosa przez dłuższą chwilę, żeby poprawnie zinterpretować zapach. Czy ma to związek z wrażeniem, że niektóre zapachy „pozostają” w nosie dłużej, nawet po wydechu powietrza? Trudno nie odnieść wrażenia, że nasz nos jest zaprojektowany tak, by wywołać maksymalny opór powietrza. Oczywiście nie przez przypadek czy pomyłkę. Choć trudno porównywać nasze zdolności węchowe do tych, jakie posiadają niektóre zwierzęta, to jednak nie da się ukryć, że ludzki nos to naprawdę skomplikowana konstrukcja. W końcu może wykryć ponad 10 tysięcy różnych zapachów.