Aktualności (nie tylko) fizyczne
Wibrujący zapach deuteru

Wipipedia
Drosophila melanogaster
Rozpoznawanie zapachów nie jest najsilniejszą stroną człowieka. Większość kręgowców radzi sobie z tym znacznie lepiej niż my. Również owady wydają się lepiej wyposażone przez naturę. Owadzi węch okazuje się jednak nie tyle lepszy, co bardziej selektywny. Np. muszka owocowa ( Drosophila melanogaster), ulubienica genetyków, a jednocześnie zmora winiarzy, bezbłędnie wyczuwa przejrzałe owoce, a ma tylko 62 receptory zapachowe.
Okazuje się, że nadal nie ma pewności, w jaki sposób zapachy są wykrywane. Dominuje teoria ograniczająca zdolności olfaktoryczne do rozpoznawania kształtu cząsteczek zapachowych (ich fragmentów – grup funkcyjnych) przez odpowiadające im receptory na zasadzie klucza i matrycy. Konkurencyjny pogląd odwołuje się dodatkowo do rozpoznawania częstości drgań takich fragmentów.
Do niedawna brakowało jednak jednoznacznego dowodu na realność tego
drugiego mechanizmu. Praca [1] została zaprojektowana tak, aby takiego dowodu
dostarczyć. Zasadniczy pomysł polegał na porównaniu reakcji muszki
owocowej na acetofenon (keton fenylowo-metylowy
),
pachnący jak zasuszone róże, oraz na acetofenon w różnym stopniu
deuteryzowany, czyli z
atomami wodoru zastąpionymi przez tę samą
liczbę atomów deuteru. Taki
-acetofenon ma identyczny kształt co
zwykły acetofenon, bo elektrony (wiązania chemiczne) „nie czują” dwa razy
masywniejszego jądra deuteru. Dla receptora kształtu ta odmiana acetofenonu
powinna być nieodróżnialna od zwykłej cząsteczki. Natomiast dla receptora
wibracji różnica powinna być zasadnicza, bo wiązanie
ma inną
częstość rezonansową niż wiązanie
(wiązanie–sprężynka
utrzymuje dwa razy większą masę).
Okazało się, że silnie wabiący charakter acetofenonu znika dla
dla
staje się odstręczający, a dla
odstręczające działanie jeszcze się nasila.
Następnie porównano wabiąco-odstręczającą siłę dwóch innych cząsteczek
zapachowych: oktanolu (oktan-1-ol:
; słodko pachnący
alkohol) i benzaldehydu (benzenokarboaldehyd:
; o zapachu
migdałów), szukając takiej różnicy koncentracji zwykłych i deuteryzowanych
cząsteczek, żeby przy jednoczesnej stymulacji z przeciwnych stron uzyskać
efekt neutralny.
Po ustaleniu takich koncentracji dla wszystkich trzech par (acetofenon –
-acetofenon; oktanol –
-oktanol; benzaldehyd –
-benzaldehyd) rozpoczęto tresowanie muszek za pomocą
elektrowstrząsów aplikowanych przy obecności jednego z sześciu związków.
Utrwaloną awersję testowano za pomocą ustalonej wcześniej stymulacji
równowagowej. Muszki, zgodnie z oczekiwaniami, bardzo dobrze uczyły się
unikania zapachu kojarzonego z bolesnymi przejściami.
Dla tak wytresowanych muszek sprawdzano, czy są one w stanie odróżnić
inną deuteryzowaną cząsteczkę od zwyczajnej. Okazało się, że w każdym
przypadku nabyta awersja do zapachu wiązania
lub
ujawniała się zgodnie z oczekiwaniami.
Różnica między deuteryzowanymi i normalnymi cząsteczkami polega na
przesunięciu maksimum częstości rezonansowej wibracji z liczby falowej około
na około
(taki sposób zapisu jest typowy dla
spektroskopii podczerwonej, która jest używana do identyfikacji). Jeżeli
muszki rzeczywiście rozpoznają tę zmianę, to powinny odpowiednio
reagować na zupełnie inne cząsteczki wykazujące podobne maksima
spektroskopowe.
Aby sprawdzić związek zdolności muszek z wrażliwością na częstość
wibracji wiązania, użyto pary cząsteczek, które, przynajmniej dla człowieka,
pachną podobnie, ale mają inne grupy funkcyjne. Wybrano parę: cytronelal
(3,7-dimetylookt-6-en-1-al:
, aldehyd) oraz odpowiadający mu
nitryl (3,7-dimetylookt-6-en-1-nitryl:
), różniący się
występowaniem potrójnego wiązania reszty węglowodorowej z azotem zamiast
podwójnego z tlenem. Oba związki mają zapach trawy cytrynowej (palczatka
cytrynowa, Cymbopogon citratus). Nitryl ma słabe maksimum około
a aldehyd nie. Dzięki temu muszki nauczone unikania
(odpowiednio nitrylu) uciekają od nitrylu (odpowiednio
), podczas gdy tresowanie w obecności oktanolu (lub
aldehydu) nie przenosi się na odróżnianie aldehydu od nitrylu (lub,
odpowiednio, deuteryzowanego od normalnego oktanolu).
W ten sposób praca [1] dowodzi istnienia jakiegoś rodzaju spektroskopu wibracyjnego działającego jako receptor zapachu, przynajmniej u muszki owocowej. Jeden z autorów zasugerował już 15 lat temu, że receptor taki może wykorzystywać zjawisko nieelastycznego tunelowania elektronów, czyli pokonywania bariery potencjałów dzięki absorpcji fononów (na takiej zasadzie działają spektrometry IETS).
W takim razie, czy bylibyśmy w stanie odróżniać izotopy po zapachu? Albo wytresować do tego psy? Niestety, raczej nie. Nawet jeżeli udałoby się odróżnić zwykłe cząstki od deuteryzowanych, to i tak im bardziej masywne atomy, tym mniejsza różnica masy między ich izotopami.