Эта статья является переизданием одноименной статьи из журнала Квазар от 17 августа 2016 года. Многие авторы статей Квазара теперь являются участниками команды BeyondCurriculum и пришли к выводу, что некоторым людям может быть удобнее получать информацию в виде коротких статей онлайн. Если вы хотите получить полноценный опыт от чтения журнала, мы приглашаем вас скачать pdf с сайта Квазара.

Автор оригинальной статьи: Антон Моргунов
Редактор переиздания: Владислав Черданцев

Мы уже затрагивали тематику восприятия мира человеком ранее. Однако мы еще не говорили о запах и вкусах некоторых молекул, хотя в этой теме есть очень много интересных вопросов. Почему мы чувствуем запахи? Какие молекулы пахнут, а какие – нет?

Вкус какой молекулы мы можем обнаружить в относительной концентрации «капля в озере»? Запах какой молекулы смело претендует на звание худшего запаха в мире? И пусть вас не вводит в заблуждение скунс на обложке этой статьи, он в данном вопросе тот еще дилетант! Что является бриллиантом кухни по мнению французов?

Заинтересовались? Тогда поехали!

Почему мы чувствуем запахи?


Любой воспринимаемый нами запах – это результат взаимодействия молекул пахнущего вещества со специальными рецепторами, расположенными в носу. Однако как они туда попадают? Если ощущение запаха парфюма объясняется прямым вдыханием мелких капелек того самого вещества, которое находится в составе парфюма, то как можно объяснить то, что мы чувствуем запах твёрдых веществ или жидкостей?

Как правило, молекулы, способные давать положительную реакцию с нашими рецепторами (то есть запах которых мы можем почувствовать), достаточно летучи. Что это значит? А то, что в любой момент времени над поверхностью границы фаз существует термодинамическое равновесие. Иными словами, часть молекул находится в газовом состоянии рядом с поверхностью границы фаз. Самые важные для нас случаи – это граница жидкость (вещество обладающее ароматом) – газ (воздух) и граница твёрдое вещество (ароматичное) – газ (воздух).

Для примера рассмотрим апельсин. Ароматные вещества, которые придают апельсину его запах, находятся в жидкой фазе в кожуре, причём часть из них улетучивается и переходит в газовую фазу. Само собой, со временем для увеличения энтропии частички газа диффундируют (разлетаются), соответственно для поддержания равновесия, когда соблюдается определенное соотношение частиц в газовой/жидкой, газовой/твёрдой фазах, часть молекул газа должна испариться. Поэтому молекулы ароматного вещества всегда находятся в определенном количестве в газовой фазе, соответственно запах «слышно» всегда вне зависимости от агрегатного состояния пахнущего соединения. Уверен, вы уже уловили мысль о том, что именно эти молекулы в газовой фазе и встречаются с нашими рецепторами в носу.

Источник изображения

Ох уж эти тиолы!


Тиолы – класс органических молекул содержащих -SH группу (атом серы, соединённый с атомом водорода). Сейчас нам интересно только то, что эти молекулы могут пахнуть самыми разными запахами. Именно тиолы распыляет скунс, запах которых некоторые считают самым ужасным в мире, однако у нас в рукаве есть молекула похуже. Но о ней мы поговорим чуть дальше.

Многие люди сходят с ума от запаха бензина или природного газа. Несмотря на то, что основная составляющая природного газа – это метан \(CH_4\), простейший представитель углеводородов, запах газа принадлежит вовсе не метану. Трет-бутил тиол – вещество, которое умышленно добавляют в природный газ, дабы придать ему запах «газа». Это делается из соображений безопасности, чтобы можно было заметить утечку газа, так как сам метан не обладает резким запахом. Примечательно, что запах этого вещества настолько резкий для нас, что мы можем почувствовать его даже при концентрации \(1\) на \(50,000,000,000\) частей метана.

Молекула трет-бутил тиола. 

Бриллиант французской кухни


Трюфели — плодовые тела подземного гриба Аскомицета. Некоторые виды трюфелей высоко ценятся в качестве пищевого продукта. Французский гурман Брилья-Саварен Жан Антельм в своём трактате «Физиология вкуса» (1825 г.) назвал трюфели «бриллиантом кухни». Я не удивлюсь, если вы так же как и я сидите в непонимании, что это вообще за плод? Какой ещё подземный гриб?  

Черный трюфель. Источник изображения

Однако гурманы настолько любят трюфели, что они стоят больше, чем такой же вес золота. Вот так приехали. А знаете, как ищут трюфели во Франции? Оказывается, свиньи настолько чувствительны к трюфелям, что могут учуять их запах сквозь метр почвы, вот их и дрессируют для поиска. Виновник торжества не совсем тиол, но тоже серосодержащее вещество, которое относят к классу сульфидов. Разница в том, что атом серы соединён не с одним водородом и одним углеродом, а с двумя углеродами.

Вещество, отвечающее за аромат черных трюфелей


Пора заканчивать с запахами

В 1889 году весь Фрайбург (город в Германии) был эвакуирован. Несколько химиков пытались получить тиоацетон из тритиоацетона (циклическая молекула, состоящая из трёх молекул тиоацетона, этакий тример). Вообще, если перед названием вещества стоит приставка "тио", это значит, что один из атомов кислорода заменён на атом серы.

Молекулы ацетона (слева) и тиоацетона (справа)


Небольшое лирическое отступление: тот запах, который многие привыкли ассоциировать с запахом ацетона, на самом деле не является запахом чистого ацетона. Чистый ацетон пахнет по-другому, а тот запах, который вы все знаете, – это запах этилацетата, широко используемого растворителя.

Так вот, попытки получить тиоацетон привели к следующим последствиям:

«Отвратительный запах, который моментально распространился на огромные территории всего города (в радиусе 750 м от лаборатории), что привело к повсеместной тошноте, рвоте и панической эвакуации. Лабораторная работа была прервана. Запах не исчезал при разбавлении раствора, а наоборот становился страшней...»
                                                                                     (лабораторные заметки)

Решение повторить эксперимент на юге Оксфорда в 1967 году в исследовательском центре Esso было безусловно безрассудно храбрым поступком. Давайте позволим им продолжить повествование:

«Недавно мы столкнулись с проблемой с запахом, которая превзошла все наши худшие опасения. Во время ранних экспериментов, пробка выскочила из пробирки с образцом продукта реакции. Несмотря на то, что пробирка была немедленно заменена, малейшая утечка вещества в газовой фазе немедленно вызвала тошноту и рвоту у коллег работающих в соседнем здании, в 200 ярдов от места утечки (около 182 метра, прим. ред). Двое из наших химиков, которые просто провели реакцию образования тиоацетона из минутного количества тритиоацетона, стали предметом враждебных взглядов  в ресторане, где они также  претерпели колоссальное унижение, когда официантка прямо перед их лицом побрызгала дезодорантом. Интересно, что запах не исчезал после многократных разбавлений растворов, а сами работники не признавали того, что запах идёт от их пробирок. Для подтверждения источника запаха эти химики были перемешаны вместе с обычными наблюдателями по всей лаборатории, на расстоянии до четверти мили (402 метра). После помещения капли производного тиоацетона на часовое стекло под вытяжкой, все присутствующие почувствовали запах в течение секунды»
                                                                                       (лабораторный журнал)

Две главных молекулы-претендента на источник того запаха показаны на изображении ниже.

Справа – пропандитиол, слева – 4-метил-4-меркапто-пентан-2-он

Обе из них являются ближайшими производными тиоацетона и являются кандидатами на роль худшего запаха в мире (никто не хочет выявлять победителя). Маловероятно, что кто-либо наберется смелости повторить опыт и докопаться до правды.

Мы не одни

Люди не единственные создания, которые чувствительны к запахам. Насекомые, например, тоже используют различные ароматные вещества для поиска особей противоположного пола. Большинство насекомых вырабатывают летучие вещества, феромоны, которые могут быть обнаружены другими особями в ничтожно малых концентрациях.


К таким насекомым относится табачный жук, женские особи которого выделяют феромон серрикорнин. Из \(65000\) женских особей табачного жука может быть выделено только \(1.5 мг\) серрикорнина. Как вы понимаете, каждый жучок вырабатывает очень маленькие количества привлекающего феромона. Тем не менее, малейшее распыление этого вещества сразу же привлекает мужских особей, которые тут же начинают бешено спариваться.

Молекула серрикорнина.


Феромон другого жучка Popillia Japonica был синтезирован в лаборатории. Даже в количестве 5 микрограмм образец этого феромона был более эффективен в привлечении самцов, чем четыре самки.

Не стоит думать, что всю работу по привлечению особей противоположного пола выполняет самка. Самцы тоже вырабатывают феромоны, привлекающие самок. Причем отличия феромонов самки и самца могут очень небольшими. Например, у самцов мух феромоном является одна молекула (на изображении ниже), а у самок – ее зеркальное отображение.

Феромоны маслнинной мухи. Молекула слева – изомер, который привлекает мужских особей, справа – изомер, привлекающий женских особей 


У слонов немного другая ситуация. Одно зеркальное изображение молекулы вырабатывает молодой самец слона, а другое – зрелый самец. По относительному количеству каждого изомера (два зеркальных изображения одной и той же молекулы можно называть изомером) самка слона может определить возраст самца.

Изомер слева вырабатывает молодой слон, а справа – зрелый слон.

А что насчет вкусов?


Давайте рассмотрим грейпфрут. Основной источник вкуса грейпфрута тоже относится к классу тиолов. Люди настолько чувствительны к этому соединению, что могут обнаружить его при концентрации \(0.00002\) частицы на миллиард других. Это как одна десятитысячная миллиграмма на тонну или капля в достаточно большом озере. Почему эволюция оставила нам такую сверхчувствительность к грейпфруту, остаётся только гадать.

Соединение, основным образом отвечающее за вкус грейпфрута


Нам также стоит упомянуть «горькие» реагенты, которые добавляют в опасные бытовые средства, чтобы не допустить случайного их выпивания детьми (а вдруг оно на вкус будет приятным?). Bitrex protected – такую надпись можно встретить на обратной стороне некоторых бытовых средств. Дело в том, что бензоат денатония, известный под торговой маркой Bitrex, как раз и придает горький вкус бытовым средствам, отталкивая детей от распития опасных жидкостей.

Структура бензоата денатония.

Вот так разнообразен мир запахов и вкусов!