Πώς λειτουργεί η αίσθηση της όσφρησης;

Η μύτη σας χρησιμοποιεί κβαντική φυσική για να αναγνωρίσει διαφορετικές μυρωδιές, γνωστή ως θεωρία σχήματος. Θεωρία δόνησης με χρήση φασματοσκοπίας κβαντικής σήραγγας.

Όταν μυρίζετε την κολόνια του crush σας ή αυτό το βρωμερό κουτί μεσημεριανού γεύματος που ξεχάσατε να πλύνετε την προηγούμενη μέρα, αναρωτιέστε ποτέ τι συμβαίνει στην πραγματικότητα μέσα στη μύτη μας; Πώς μπορούμε να διακρίνουμε τη διαφορά μεταξύ αυτών των μυρωδιών; Και πόσες μυρωδιές μπορούμε να ξεχωρίσουμε;

Η απάντηση στο πόσα είναι μια εύκολη αλλά συντριπτική απάντηση – 1 τρισεκατομμύριο! Εμείς οι άνθρωποι μπορούμε να αισθανθούμε και να διαφοροποιήσουμε πάνω από ένα τρισεκατομμύριο διαφορετικά αρώματα!

Τώρα ας καταλάβουμε το μέρος του «πώς», το οποίο είναι λίγο πιο δύσκολο να εξηγηθεί. Για να κατανοήσουμε αυτήν τη διαδικασία, θα ακολουθήσουμε ένα συγκεκριμένο μόριο που βγαίνει από το λάτε βανίλιας σας.

Μόλις λάβετε το αχνισμένο φλιτζάνι σας, τα μόρια της βανιλίνης, που είναι υπεύθυνα για να κάνουν το λάτε βανίλιας σας να μυρίζει σαν βανίλια, αρχίζουν να αναμιγνύονται με τα μόρια του αέρα. Καθώς παίρνετε μια χαρούμενη μυρωδιά του latte, αυτά τα μόρια εισέρχονται στη μύτη σας, το κεφάλι προς τα πάνω στα ρουθούνια και στη ρινική κοιλότητα.

Στη ρινική κοιλότητα, τα μόρια της βανιλίνης φτάνουν σε μια περιοχή μεγέθους γραμματοσήμου στην κορυφή αυτού του χώρου που ονομάζεται οσφρητικό επιθήλιο. Αυτή η περιοχή αποτελείται από δέσμες νευρώνων που περιέχουν οσφρητικούς υποδοχείς. Οι υποδοχείς συνδέονται με τη βανιλίνη και στέλνουν σήματα στον εγκέφαλο, τα οποία στη συνέχεια ερμηνεύονται ότι το μόριο είναι βανιλίνη, που προέρχεται από τη βανίλια και ότι μυρίζει ευχάριστα.

Η ικανότητά μας να ανιχνεύουμε διάφορες μυρωδιές έγκειται στην πολυπλοκότητα της αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών των οσφρητικών υποδοχέων και του αρωματικού.

Δεδομένου ότι είναι αδύνατο να παρατηρήσουμε τους υποδοχείς σε μια «εργαζόμενη» μύτη, πρέπει να συμπεράνουμε πώς λειτουργούν από έμμεσα στοιχεία.

Λοιπόν, ας πάμε σε μερικές από τις θεωρίες!

Μοντέλο σχήματος/Μοντέλο κλειδαριάς και κλειδιού

Αυτό το μοντέλο υποστηρίζει ότι τα μόρια οσμής με διαφορετικά σχήματα ταιριάζουν στους συμβατούς οσφρητικούς υποδοχείς τους, παρόμοια με τον τρόπο που ένα κλειδί ταιριάζει σε μια κλειδαριά. Έτσι, μόρια οσμής διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών ταιριάζουν σε διαφορετικούς υποδοχείς.

Όταν ένα μόριο κλειδώνει σε έναν υποδοχέα, ο υποδοχέας στέλνει ένα σήμα στον εγκέφαλο και επομένως μυρίζουμε αυτό το μόριο. Αυτό θα πρέπει να σημαίνει ότι έχουμε έναν υποδοχέα για κάθε μυρωδιά που ανιχνεύουμε.

Ωστόσο, έχουμε μόνο περίπου 300 διαφορετικά είδη υποδοχέων. Είναι σαν να έχουμε 300 κλειδαριές, αλλά χιλιάδες κλειδιά που όλα με κάποιο τρόπο ανοίγουν τουλάχιστον μία κλειδαριά.

Αυτό δημιουργεί το μοντέλο αδύναμου σχήματος. (Φωτογραφία:gritsalak karalak/ Shutterstock)

Αυτή η θεωρία προτείνει ότι κάθε υποδοχέας είναι κατασκευασμένος για να ταιριάζει μόνο σε ένα τμήμα του μορίου και όχι σε ολόκληρο το μόριο. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι μόρια με παρόμοιες χημικές δομές (παρόμοιες μοριακές ομάδες) θα δεσμεύονται σε παρόμοιους υποδοχείς και έτσι μυρίζουν το ίδιο, καθώς μόνο τα κλειδιά που ταιριάζουν σε μια κλειδαριά μπορούν να την ανοίξουν. Για παράδειγμα, οποιοδήποτε μόριο με δεσμό θείου-υδρογόνου θα μυρίζει σαν σάπια αυγά.

Αυτή η θεωρία ταιριάζει καλά με τις παρατηρήσεις, αλλά υπάρχουν εξαιρέσεις που δεν μπορεί να εξηγήσει. Ορισμένα μόρια που αποτελούνται από τις ίδιες ομάδες, αλλά διατάσσονται διαφορετικά, μυρίζουν πολύ διαφορετικά. Για παράδειγμα, η βανιλίνη (από το δικό μας latte) μυρίζει σαν βανίλια, ενώ η ισοβανιλίνη έχει μια άσχημη φαρμακευτική μυρωδιά.

Θεωρία δόνησης

Αυτό το εναλλακτικό μοντέλο λέει ότι οι οσφρητικοί υποδοχείς ανιχνεύουν πώς μυρίζουν τα οσμικά με βάση τον τρόπο δόνησης. Κάθε χημικός δεσμός έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα συντονισμού στην οποία δονείται φυσικά. Αυτό είναι παρόμοιο με το πώς κάθε χορδή κιθάρας δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, παράγοντας έτσι διαφορετικό ήχο. Διαφορετικά μόρια έχουν διαφορετικό σύνολο μοναδικών συχνοτήτων δόνησης, ανάλογα με τα άτομα από τα οποία αποτελούνται και πώς συνδέονται. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιήθηκε από τους επιστήμονες στο παρελθόν για να κατανοήσουν τη χημική σύνθεση των μορίων χρησιμοποιώντας το φως - μια πρακτική που ονομάζεται φασματοσκοπία.

Τι είναι η φασματοσκοπία;

Σίγουρα έχετε ακούσει ότι το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ότι το ορατό φως που βλέπουμε είναι μέρος ενός ολόκληρου ηλεκτρομαγνητικού φάσματος

(Φωτογραφία:VectorMine/Shutterstock)

Φασματοσκοπία είναι η διαδικασία με την οποία μπορεί κανείς να αναγνωρίσει από ποια άτομα ή μόρια αποτελείται μια ουσία. Η βασική φασματοσκοπία γίνεται με τη λάμψη λευκού φωτός μέσω της ουσίας. Τα άτομα στην ουσία διεγείρονται και κινούνται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, που ονομάζονται καταστάσεις δόνησης. Ας δούμε ένα κλεπτομανικό άτομο για κάποια προοπτική.

Φανταστείτε ότι το άτομο έκλεψε λίγη φωτεινή ενέργεια για να κρατήσει για τον εαυτό του. Παρατήρησε ότι η δέσμη φωτός έγινε μικρότερη αφού έκλεψε μέρος της, αλλά δεν έδωσε σημασία σε αυτήν. Ξαφνικά, άρχισε να χάνει ενέργεια και, σε ελάχιστο χρόνο, το υπουργείο ατόμων εντόπισε και συνέλαβε τον Dave.

Λοιπόν, πώς πιάστηκε ο Ντέιβ; Όταν ένα άτομο απορροφά το λευκό φως που ρίχνεται σε αυτό, το άτομο ή το μόριο απορροφά ορισμένες ποσότητες ενέργειας και δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα δόνησης, ανάλογα με το άτομο ή το μόριο που είναι. Καθώς κάθε στοιχείο ή ένωση έχει μια μοναδική συχνότητα δόνησης, η σύνθεση της ουσίας μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί.

Ίσως οι υποδοχείς οσμής κάνουν κάτι τέτοιο. Ωστόσο, για πολλά χρόνια, η θεωρία των δονήσεων απορρίφθηκε επειδή δεν υπάρχει περίπτωση οι μύτες μας να κάνουν φασματοσκοπία, καθώς δεν εκπέμπουν ακτινοβολία.

Μία από τις βασικές έννοιες στην κβαντική μηχανική είναι ότι όλη η ύλη συμπεριφέρεται και ως κύμα και ως σωματίδιο. Αυτή η διπλή φύση γεννά πολλά άγρια ​​φαινόμενα, ένα από τα οποία είναι η φασματοσκοπία ηλεκτρονίων. Η φασματοσκοπία ηλεκτρονίων χρησιμοποιεί ηλεκτρόνια για να ανιχνεύσει συχνότητες δόνησης αντί για φως.

Θεωρία της φασματοσκοπίας σήραγγας ηλεκτρονίων

Τι είναι η κβαντική σήραγγα;

Η κβαντική σήραγγα είναι το φαινόμενο όπου κβαντικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να ταξιδέψουν σε μέρη που τα κανονικά κλασικά σωματίδια δεν μπορούν. Γνωρίζουμε ότι αν ρίξουμε μια μπάλα σε μια κοιλάδα, κλασικά, η μπάλα σίγουρα θα παραμείνει στην κοιλάδα. Ακόμα κι αν υπήρχε μια ωραία μεγάλη πλαγιά για να κυλήσει στην άκρη του βουνού, η μπάλα δεν μπορεί να φτάσει εκεί. Η μπάλα μπορεί να φτάσει στην άλλη πλευρά του βουνού μόνο εάν της δοθεί αρκετή ενέργεια. Με άλλα λόγια, θα πρέπει πρώτα να ανέβει στο βουνό.

Ωστόσο, στον πιθανό κόσμο της κβαντικής μηχανικής, υπάρχει πιθανότητα η μπάλα να παραμείνει στην κοιλάδα αλλά και πιθανότητα να περάσει ακριβώς μέσα από την κοιλάδα στην κατάσταση χαμηλής ενέργειας στην άλλη πλευρά.

(Φωτογραφία:VectorMine/Shutterstock)

Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από τοίχους!

Πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η κβαντική σήραγγα στη φασματοσκοπία

Οι συχνότητες συντονισμού των μορίων μπορούν να βρεθούν χρησιμοποιώντας τη σήραγγα ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, φανταστείτε ότι παίρνουμε δύο μεταλλικές ράβδους και τις χωρίζουμε με ένα μικρό φράγμα και, στη συνέχεια, εφαρμόζουμε μια τάση για να κάνουμε ένα ηλεκτρόνιο να ωθηθεί προς τη μία πλευρά.

Κανονικά, στην κλασική φυσική, το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να περάσει αυτό το φράγμα, αλλά αν το χάσμα μεταξύ των ράβδων είναι πολύ μικρό (της τάξης των λίγων νανομέτρων), θα μπορούσε να κάνει κβαντική σήραγγα στην άλλη πλευρά.

Ωστόσο, υπάρχει μια επιπλέον προϋπόθεση. Ένα ηλεκτρόνιο στη μεταλλική ράβδο έχει μια ορισμένη ενέργεια και μπορεί να διέλθει από την άλλη πλευρά μόνο εάν υπάρχει μια άδεια οπή στην άλλη πλευρά με την ίδια ενέργεια. Εάν υπάρχει μια τρύπα στην άλλη πλευρά με χαμηλότερη ενέργεια από αυτή του ηλεκτρονίου, το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να κάνει σήραγγα, καθώς δεν υπάρχει πουθενά να πάει η πλεονάζουσα ενέργεια.

Όταν εισάγουμε ένα μόριο στο κενό, συμβαίνει κάτι πολύ ενδιαφέρον. Εάν η διαφορά ενέργειας μεταξύ του ηλεκτρονίου και της οπής είναι η ίδια με την ενέργεια που απαιτείται για να δονηθεί ένας από τους συντονισμούς του μορίου, τότε το ηλεκτρόνιο μπορεί να διοχετευτεί σε σήραγγα και ρίχνει την επιπλέον ενέργεια σε δόνηση του μορίου καθώς περνάει.

Εάν κάποιος αλλάζει την ενέργεια της οπής συνεχώς και μετρήσει πότε τα ηλεκτρόνια σήραγγαν, μπορεί να προσδιορίσει τη συχνότητα συντονισμού του μορίου. Ακριβώς όπως ισχύει στη φασματοσκοπία, μπορούν στη συνέχεια να προσδιορίσουν την ταυτότητα του μορίου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φασματοσκοπία ηλεκτρονίων σήραγγας.

Αυτή η θεωρία υποδηλώνει ότι η μύτη μας κάνει ακριβώς το ίδιο πράγμα!

Οι υποδοχείς της μυρωδιάς μας συμπεριφέρονται όπως αυτή η μεταλλική ράβδος και το κενό, απλώς περιμένουν να μπει ένα μόριο οσμής που επιτρέπει σε ένα ηλεκτρόνιο να διέλθει από τον υποδοχέα και να ενεργοποιήσει το συγκεκριμένο νεύρο που αντιστοιχεί σε αυτήν την ενέργεια.

Αυτή η θεωρία ουσιαστικά λέει ότι η μυρωδιά ενός μορίου εξαρτάται από τη συχνότητα δόνησης του, οπότε αν μπορούσατε να αλλάξετε τις συχνότητες του μορίου, μπορείτε επίσης να αλλάξετε τη μυρωδιά του. Για να αποκτήσουν στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτήν την ιδέα, οι επιστήμονες πήραν ένα μόριο και αντικατέστησαν όλα τα άτομα υδρογόνου του με άτομα δευτερίου, μια βαρύτερη μορφή υδρογόνου που έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο στον πυρήνα του, αντί για ένα μόνο πρωτόνιο. Έχει όλες τις ίδιες ιδιότητες με το υδρογόνο, εκτός από το ότι είναι βαρύτερο, γεγονός που του δίνει διαφορετική συχνότητα δόνησης. Μετά από δοκιμές σε διάφορα είδη και ανθρώπους, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα δύο μόρια στην πραγματικότητα μύριζαν διαφορετικά.

Όσο επιτυχημένο κι αν είναι αυτό το μοντέλο, δεν μπορεί να εξηγήσει τα πάντα. Τα χειρόμορφα μόρια είναι μόρια που αποτελούνται από όλα τα ίδια άτομα, αλλά είναι διατεταγμένα ως κατοπτρικά είδωλα το ένα του άλλου. Για παράδειγμα, το Carvone, ένα οργανικό μόριο με τύπο C10H14O, έχει αριστερή και δεξιά μορφή.

Δεδομένου ότι τόσο τα δεξιόχειρα όσο και τα αριστερόχειρα μόρια αποτελούνται από πανομοιότυπα άτομα και δεσμούς, έχουν την ίδια συχνότητα δόνησης. Επομένως, θα πρέπει να μυρίζουν το ίδιο, αλλά δεν το κάνουν. Η μία μορφή μυρίζει σαν δυόσμος ενώ η άλλη μυρίζει σαν σπόροι κύμινο!

Συμπέρασμα

Προς το παρόν, χρειαζόμαστε τόσο το μοντέλο σχήματος όσο και το μοντέλο σήραγγας-δόνησης για να εξηγήσουμε πώς αναγνωρίζουμε διάφορες μυρωδιές. Ίσως οι υποδοχείς μας πρώτα να ελέγχουν το σχήμα του μορίου χρησιμοποιώντας το αμφισβητήσιμο μοντέλο σχήματος και στη συνέχεια, μόλις το σχήμα ταιριάζει, ο υποδοχέας ελέγχει τη συχνότητα δόνησης χρησιμοποιώντας κβαντική σήραγγα.

Δεν θα ξέρουμε σίγουρα μέχρι να βρούμε έναν τρόπο να παρατηρήσουμε τους υποδοχείς σε δράση. Ακόμα κι έτσι, είναι συναρπαστικό να βλέπουμε πώς η κβαντική μηχανική —όσο παράλογη κι αν είναι— παίζει ρόλο στην καθημερινή λειτουργία του σώματός μας. Μπορεί να είναι δύσκολο να τυλίξετε το κεφάλι σας γύρω από το γεγονός ότι κάτι τόσο απλό όπως το να μυρίσετε ένα λουλούδι περιλαμβάνει κβαντομηχανική, αλλά υπάρχει μια ισχυρή πιθανότητα κάνει!