Как работает обоняние? Связь с квантовой механикой

Содержание

1. Как работает нашо обоняние?
2. Ароматные молекулы и их путешествие
3. Ольфакторный эпителий и перечень нейронов
4. Как мозг реагирует на запахи
5. Запахи и эмоции
6. Молекулярные формы и рецепторы запахов
7. Зависимость от формы и вибраций молекул
8. Исследования Луки Турена
9. Квантовое туннелирование
10. Эволюция обоняния

Как работает наше обоняние?

🌬️ Вообразите, что вы гуляете в своем любимом парке. Вы чувствуете утреннюю росу, уникальные запахи растений, земли и далеких цветов. Ощущение спокойствия и расслабленности охватывает вас. Все эти ощущения возникают благодаря особой природе вашего обоняния. Сегодня мы узнаем, как наше обоняние действительно работает и что это имеет общего с квантовой механикой.

Ароматные молекулы и их путешествие

Каждый аромат в виде молекулы должен достичь вашего носа. Все, что мы ощущаем запахом, имеет определенную летучесть, то есть испускает молекулы, которые летят в воздух и оседают внутри носа. Будь то утренние цветы, ваши кофе или вонь от собачьего помета, молекулы происходят от источника, летят в воздух и попадают в ваш нос. Но как эти молекулы вызывают ощущение запаха в вашем носу?

Ольфакторный эпителий и перечень нейронов

Верхушка ваших носовых ходов, находящаяся за носом, является пластом специальных нейронов, называемых ольфакторным эпителием. Это своего рода проекции, которые увеличивают их поверхность. Любая молекула с запахом связывается со специальными рецепторами на этих проекциях, называемых цилиями, и активирует нейрон, посылая сигнал в мозг.

Этот сигнал попадает в самую древнюю часть нашего мозга, называемую лимбической системой, которая связана с эмоциями и памятью. Поэтому запахи могут вызывать сильные воспоминания и эмоциональные реакции.

Уникальность этих нейронов заключается в том, что они напрямую связаны с вашим мозгом и находятся непосредственно в местах, контактирующих с воздухом. Именно здесь в вашем организме ваша центральная нервная система напрямую взаимодействует с внешней средой.

Как мозг реагирует на запахи

Остается вопрос: как именно активируются эти нейроны? Стандартное объяснение, предложенное еще в 1950-х годах, заключалось в том, что рецепторы и окончания ольфакторных нейронов могут воспринимать только определенные формы молекул. Таким образом, конкретный запах определяется взаимосвязью молекул отдушек и набора рецепторов получающих нейронов. Подобно замку и ключу, форма молекул отдушек сопоставляется с ольфакторными рецепторами, и конкретная комбинация из 400 рецепторов приводит к определенному запаху. Один набор рецепторов может вызывать запах розы, другой - запах гнилых яиц и так далее. Другими словами, то, что мы фактически ощущаем, это физическая форма молекул отдушек.

Однако, ученые вскрыли факт, что молекулы разных форм могут иметь одинаковый запах. Например, цианид имеет такой же запах, как бензальдегид, имеющий горький аромат миндаля. Однако их формы значительно отличаются. Таким образом, ученые заключили, что в запахе существуют иные факторы, помимо формы.

Зависимость от формы и вибраций молекул

Впоследствии стало ясно, что помимо формы молекул, также играют роль их колебания. Все молекулы колеблются с определенной частотой и ритмом в зависимости от их структуры, связей и веса. Это аналогично звукам, издаваемым разными инструментами, из-за их разных форм. Лука Турена, биофизика из Исследовательского центра Александра Флеминга в Греции, провел эксперименты на запах серных соединений. Он выявил молекулы, которые имеют ту же вибрационную частоту, что и сера, но при этом совершенно отличаются по форме. Что было очень интересно, так это то, что эти соединения с той же вибрационной частотой, что и сера, действительно пахли похоже на нее, несмотря на то, что их молекулярные формы совершенно разные.

Исследования Луки Турена

Исследования Турена не всецело приняты другими учеными в области изучения обоняния, однако, если его утверждения верны, возникает вопрос: как наш нос способен чувствовать вибрации молекул в рамках квантовой механики?

Так называемые частицы, такие как электроны, в действительности представляют собой волны вероятностей до момента измерения. Вероятностная волна такова, что, когда частица сталкивается с преградой, вероятностная волна не останавливается на преграде, а продолжает двигаться вперед на небольшое расстояние. Поэтому существует определенная вероятность того, что электрон проникнет сквозь преграду и появится с другой стороны, создавая эффект "квантового туннелирования". В классической физике такое поведение имеет запрещенный характер, но наблюдается в квантовой физике из-за законов квантовой механики.

Теоретически, вибрации определенных молекул могут позволять электронам переходить через определенные запаховые рецепторы и вызывать сигналы в нейронах, а затем в мозге. Разные молекулы с разными вибрациями могут вызывать разные скорости туннелирования. Когда молекула имеет определенную частоту, соответствующую энергии рецептора, квантовое туннелирование работает таким образом, что открыт портал для того, чтобы электрон последовательно проникал сквозь молекулы и их вибрации. Таким образом, наш нос обнаруживает не только формы молекул, но и их вибрации, используя сложную физику квантовой механики.

Эволюция обоняния

Как наш нос мог развить такое сложное сенсорное устройство? Турен предлагает интересное объяснение: четыре миллиарда лет исследований, при условии беспрепятственного финансирования. Это действительно длительный промежуток времени, и эволюция, вероятно, является процессом, который мы сильно недооценили.

FAQ's

Q: Может ли искусственный нос детектировать ароматы также, как и наш естественный нос?

A: Искусственные носы, разработанные новейшими технологиями, имеют возможность детектировать ароматы, но они пока не могут в полной мере эмулировать и воспроизводить сложные процессы, происходящие в нашем естественном обонянии. Однако научные исследования в этой области продолжаются, и возможно, в будущем мы сможем создать искусственные устройства, способные воспроизводить всю сложность нашего обоняния.

Q: Могут ли определенные запахи вызывать физическую реакцию в нашем организме?

A: Да, определенные запахи могут вызывать физические реакции в нашем организме. Например, запах еды может вызывать реакцию слюнотечения или чувство голода, а запах раслабляющего масла может вызывать ощущение расслабленности. Это связано с тем, что запахи могут влиять на нашу эмоциональную и физиологическую системы через связь с лимбической системой в мозге.