第六节 现代嗅觉理论

长期以来，嗅觉一直是我们所有的感觉中最为神秘的东西，科学家们一度认为所有的嗅觉由七种重要气味组成。2004年诺贝尔生理学或医学奖得主美国的理查德·阿克塞尔（Richard Axel）和琳达·巴克（Linda Buck）已经解决了该难题，一系列的开创性研究阐明了我们的嗅觉系统是如何工作的。1991年，他们发现一个至少有1000个基因的“家族”，它们与在鼻子中的1000个嗅神经细胞类型是一致的。每一种嗅神经细胞类型对仅仅一种类型的气味分子产生反应。

一般人能闻出1000多种气味。这是因为一种单一的气味是由一种以上甚至几十种类型的分子组成的。玫瑰的香气可以刺激A神经细胞、B神经细胞或C神经细胞，而茉莉的香气能刺激B神经细胞、C神经细胞和F神经细胞。阿克塞尔说：“从理论上说，我们能够测出一个天文数字那么多的气味。”然而，大脑不可能有如此大的空间记住所有这些分子的可能结合，所以仅仅集中在与进化相关的约10000种，如成熟果子的气味或配偶的气味。

阿克塞尔和巴克目前发现嗅球控制着一张“图”，类似于大脑用来进行视、听的图。两位获奖者在1991年合作发表了基础性的论文，宣布他们发现了含约1000个不同基因的一个气味受体基因大家族（占人类基因总数的3%），这些基因构成了相同数量的嗅觉受体类型，而这些受体位于嗅觉受体细胞内。每一种嗅觉受体细胞只拥有一种类型的气味受体，每一种受体能探测到有限数量的气味物质。因此，嗅觉受体对某几种气味是高度特异性的。尽管气味受体只有约1000种，但它们可以产生大量组合，从而形成大量的气味识别模式，这也是人类和动物能够辨别和记忆不同气味的基础。

理查德·阿克塞尔和琳达·巴克

嗅觉系统工作时，嗅觉受体细胞会发送信息到嗅小球，那里有2000多个确定的微区嗅小球，嗅小球的数量大约是嗅觉受体细胞类型数量的2倍之多。嗅小球是很“专业化”的，携带同种受体的受体细胞聚集其神经纤维进入相同的嗅小球，即来自具有相同受体的细胞的信息会聚到同一嗅小球。随后，嗅小球激活僧帽细胞的神经细胞。每种僧帽细胞只能由一个嗅小球激活，信息流的“特异性”也就因而保留。之后，僧帽细胞将信号传输到大脑其他地方。结果，来自多种气味受体的信息整合成每种气味所具有的“特征性的模式”，使得我们可以自由地感受到识别的气味。

伦敦大学的马歇尔·斯通哈姆及其同事宣称：我们的嗅觉可能是依赖于鼻子内的“受体”中存在的电子隧穿效应。他们的计算显示鼻子是通过将分子振动转化成电流来感觉气味的，而不是以前认为的通过识别气味分子的形状。以前，大多数科学家认为，分子的形状决定了它们的气味，鼻子中的感应分子有选择性地与具有特殊形状的分子结合。然而，这个理论不能够解释为什么一些形状差异很大的分子具有相同的气味，而另外一些形状非常相似但是质量不同的分子具有非常不一样的气味。

有些科学家曾尝试着提出新的理论解释这种矛盾——每个分子具有完全不同的振动模式，这些同样可以被鼻子中的感应分子探测到。由于缺少将振动转化成大脑可接收信号的机制，这个理论并不是完整的。

现在，伦敦学院的研究者们通过计算发现，电子隧穿可以提供将气味和分子振动联系起来的机制。他们的工作是基于1996年由卢卡·土林首先提出的理论，当时土林在伦敦学院工作。土林认为鼻子内的分子感应器就像是一个电子开关一样，当与具有特定振动性质的分子结合的时候就会打开电流通路。他还建议，这个转换机制就是电子隧穿，这完全是一个量子力学效应，而且已经知道这个过程会通过所谓的声子协助隧穿过程受到振动的影响。

斯通哈姆和他的同事们将土林的想法向前推进了一步，计算了设想中的分子感应器中预期的电子迁移率。计算的结果显示，当具有相应振动频率的气味分子和感应分子结合的时候，电流的强度会显著地增强。斯通哈姆及其同事正在检查实验的数据，以确定感应分子是如何响应不同的分子的，他们希望他们的计算结果会促使其他的物理学家设计进一步的实验以检验他们的理论。

为什么人类的鼻子中间会有一个软骨把鼻孔一分为二呢？这个问题也可以理解成，“为什么我们有两个鼻孔”？

一般认为，有两个鼻孔更有助于人辨别气味。两个鼻孔吸气的速率其实是不一样的。空气中的不同气体分子，需要不同的作用时间与嗅觉感受器作用，才能激发合适的神经冲动。一些气味分子能快速穿越鼻黏膜，如果在快速气流通过的鼻孔中，它们能随着气流移动与大量的感受器接触；但是在慢速气流的鼻孔中，它们只能快速通过黏膜靠外侧的部分，来不及进入鼻腔更深处就被吸收干净，从而只与少部分感受器作用。另一些气味分子穿越黏膜的速度慢，比较难被吸收，它们就必须在慢速气流的鼻孔中慢慢前进，一点一点地吸收。如果在快速气流鼻孔中，它们会还没来得及被吸收就被冲进气管里。

德国慕尼黑工业大学的科学家日前发现，位于心脏、血液和肺中的细胞也具有与鼻子一样的嗅觉感受器。当嗅细胞受到某些挥发性物质的刺激，就会产生神经冲动，神经冲动继而传入大脑皮质，引起嗅觉。通过大脑这些感受器能够把各种气味翻译成让人愉悦的香味或是令人不快的臭味。此前，科学家一直认为鼻子垄断了所有的嗅觉感受器，但最近发现，除鼻子外，心脏、肺和一些其他非嗅觉器官中也存在这样的感受器。

研究人员发现，人体血液样品中分离出来的血细胞能够吸引释放出香味的分子。其中的一个实验是这样的：他们将能够释放出香味的混合物质与血细胞分别放在一个平面的两侧，当中间的隔断被抽走后，血细胞会移动到香味引诱剂的一侧。

虽然我们目前还不清楚在人体内嗅觉感受器是否也以同样的方式在运作，但这无疑提出了一种新的假设——或许除鼻子外，人体的其他器官也具有嗅觉。