Секрет аромата. От молекулы до духов. Как запах становится произведением искусства - Лука Турин

К счастью, теперь появилась возможность без всяких измерительных приборов вычислить вибрационные частоты практически с любой степенью точности. Для этого надо иметь достаточно быстродействующий компьютер, либо набраться немного терпения. Я пересчитал некоторые из его частот с помощью компьютерной программы для квантовой химии, и обнаружил, что они корректны не только по значениям, но и в более сложной части определения типа движения, или режима, отвечающего за ту или иную частоту. Проблема, разумеется, заключалась не в данных. Это самая современная спектроскопия, и критикам Райта – если таковые еще остались – нужно искать другие аргументы.

На самом деле им нужно было беспокоиться не о данных, потому что, как оказалось, они мало работают в поддержку его теории. Начнем с того, что молекулы обладают целым рядом режимов в области волновых чисел ниже 1000, и даже если в этом была бы какая-то система, ее было бы трудно обнаружить. Райт разработал несколько оригинальных методов графической демонстрации, которые показывали, где плотность, т. е. количество режимов на энергетический интервал, изменяется в большую или меньшую сторону. Тем не менее корреляция все равно выглядела неубедительно, и снова послышался скрежет эпициклов. В примечательной статье, опубликованной в 1964 г. в журнале Nature, Райт решил добавить воображаемые частоты на разностной частоте между двумя измеренными, после чего стало появляться некое подобие системы. О том, что он каким-то образом подтасовывает данные, речи не идет, поскольку он делает все, так сказать, на глазах у зрителей, четко прописывая комментарии к цифрам, которые видны всем. Но пружина недоверия уже растянулась почти до предела. Еще два дополнительных тяжелых груза были готовы ее разорвать.

Первой была проблема изотопов. Как хорошо знал Райт и не уставали указывать другие химики, изотопы должны были дать важнейшую проверку его теории. Изотопы наводят на мысль о радиоактивности и действительно имеют важнейшее значение для физиков-ядерщиков, но в данном случае важно не то, что они испускают лучи и частицы, смертоносные или нет. Важно другое. Химические элементы, как известно, отличаются друг от друга количеством электронов в слоях, напоминающих луковую кожуру, и эти электроны должны быть уравновешены идентичным количеством протонов в ядре, чтобы атом имел нейтральный заряд[65]. Однако есть третий тип частиц, которые благополучно существуют в ядрах и, в отличие от протонов и электронов, не несут заряда. Соответственно, они называются нейтронами. Но, будучи нейтральными, нейтроны могут оказывать разрушительное влияние на ядро, потому что интерферируют с силой, которая удерживает вместе протоны. Например, стабильные и нестабильные изотопы урана различаются между собой лишь горсткой протонов в ядре. Простейший из химических элементов, водород, имеет один протон и один электрон. При добавлении одного нейтрона к ядру получается дейтерий. При сжигании дейтерия на воздухе вместо обычной воды H2O получается тяжелая вода D2O. Тяжелая вода действительно тяжелая. Фляжка с ней будет плескаться в руке совсем не так, как с обычной. Но в основном тяжелая вода ведет себя как простая. У нее несколько выше точка кипения, но в ней можно выращивать бактерии (чуть медленнее), ей можно поливать растения и пить без всякого вреда для здоровья (в умеренных количествах).

Причина того, что она ведет себя почти как обычная, заключается в том, что все химические реакции, как мы уже видели, вытекают из манеры поведения электронов, а ядра следуют за ними, чтобы получить заряд. Это означает, что электронные связи, образуемые различными изотопами, должны быть, с высокой вероятностью, идентичными друг другу[66]. Иными словами, связь между дейтерием (тяжелым водородом) и углеродом должна быть такой же силы (т. е. прочности), как и между обычным водородом и углеродом. Но – и вот этот момент имеет особое значение для науки о запахах – тяжелый водород тяжелее вдвое. Поэтому биение, которое вы получаете, растягивая связь C-D, а затем отпуская, будет на пятую ниже, контральто по сравнению с сопрано C-H. Иными словами, изотопы меняют массу, но не пружины, поэтому все колебания молекул изменяются в большей или меньшей степени в зависимости от замены изотопа, но форма остается неизменной.

Таким образом можно провести прекрасный тест и проверить, на что реагируют наши обонятельные рецепторы: на форму или колебания. Надо взять две молекулы идентичной формы, но с разными колебаниями. Впрочем, как обычно, дьявол – в деталях. Какую молекулу выбрать, и какие элементы заменить их более тяжелыми изотопами? Как можно предположить, более легкие элементы сильнее подвержены воздействию дополнительных нейтронов, и более всего самый легкий – водород. Более тяжелые звери, типа углерода и кислорода, появляются в разных изотопных ароматах, но добавление нейтрона к двенадцати ядерным частицам обычного углерода увеличит его массу на одну тринадцатую часть, или изменение произойдет лишь на 8 %. Значит, водород годится. Однако надо внимательно выбрать, какие атомы водорода в каких молекулах заменить дейтерием. Многие атомы водорода имеют свободную связь с соседним атомом и постоянно скачут туда-сюда, как цирковые наездники. Возьмем, к примеру, D2S, тяжелый аналог H2S. Создать ее несложно, и она будет наверняка иметь совершенно иной характер колебаний по сравнению с H2S, но если ее понюхать, D моментально будет вытеснен H, находящимся во влажной среде вашего носа – в течение наносекунд. Дело в том, что в вашем организме (если вы перед этим не выпили большое количество тяжелой воды), почти весь водород будет легким, и когда D совершит очередной прыжок, его место займет гораздо более распространенный Н. Результат: эксперимент провалился.

Тем не менее в молекулах есть много стабильных атомов водорода, и Райт мог заняться подходящими ароматами с замещенными изотопами. Он так и сделал, и результат описан в одной из глав его книги. Он попросил людей понюхать нормальный и дейтерированный нафталин, после чего радостно сообщил, что они чувствовали разные запахи. Звучит обнадеживающе? Не совсем. Различие было не сильным, но по этому эксперименту нельзя было сделать точного заключения. Причина – жупел всех экспериментов с запахами: чистота. Даже малейшее количество каких-то молекул, не имеющих отношения к главному компоненту, может повлиять на запах в целом. Такое происходит в лабораториях, когда две последовательные партии одного одоранта, изготовленные в «идентичных» условиях, обладают слегка различающимся запахом из-за слегка различающихся синтетических примесей. Дейтерированные соединения часто создаются совершенно другими способами, чем нормальные, из-за ограниченной доступности строительных блоков дейтерия, поэтому не исключена возможность загрязнения их различными примесями, которые и без того имеют различные запахи. Наш нос в качестве измерительного инструмента просто слишком хорош, чтобы проверять теорию таким способом.