Ароматная наука: что такое запах и как он распространяется

А теперь внесем в суровую физику немного булочек с корицей. Дело в том, что все вокруг (и булочки тоже) состоит из молекул, которые непрерывно двигаются. Если температура достаточно высокая, то молекулы начинают колебаться быстрее, а самые шустрые из них отделяются от булочки и продолжают движение уже в воздухе. Человек, вошедший на кухню, делает вдох и вместе с воздухом втягивает и несколько молекул булочки. Частицы попадают на поверхность клетки органа обоняния и связываются с определенным рецептором. Клетка возбуждается, генерирует электрический нервный импульс и отправляет его в нужный отдел головного мозга. Информация обрабатывается и принимается решение — срочно начать слюноотделение и приготовиться к поеданию вкусной выпечки! Горячая еда имеет более выраженный аромат, чем холодная — все из-за частоты колебания частиц.

Кстати, в воде происходит все то же самое, только молекулы вещества не испаряются, а растворяются. Именно поэтому, например, морской хищник может ощутить запах своей добычи даже в безвоздушной среде. О том, может ли акула учуять каплю крови на большом расстоянии — читайте в нашем материале!

Как ни странно, но первым найти отгадку попытался вовсе не ученый, а римский поэт Лукреций Кар. Свою теорию он описал в поэме «О природе вещей», которой уже около двух тысяч лет. Мыслитель считал, что на верхней стенке ротовой полости есть маленькие поры, которые имеют разные размеры и формы. Каждое летучее вещество испускает «молекулы», которые тоже имеют свою определенную форму. Человек ощущает запах, писал Лукреций, только тогда, когда эти частицы попадают в нужную пору. Распознавание многообразия запахов зависит от того, к каким именно порам подошла та или иная молекула.

Прошли столетия, за время которых ученые успели выдвинуть порядка 30 теорий в попытках объяснить способность человека ощущать запахи. Наиболее близкие к современному пониманию идеи высказал Р. Монкрифф только в середине 20-го века. Ученый предложил теорию (к слову, сильно напоминавшую идею Лукреция), согласно которой система обоняния состоит из рецепторных клеток определенных типов. Каждая из этих разновидностей улавливает отдельный «первичный» запах, а молекулы пахучего вещества воспринимаются только при точном совпадении их формы с формой «рецепторных участков» этих клеток.

Позже его коллега Дж. Эймур развил и уточнил эту теорию. Было важно понять две вещи: сколько существует видов этих рецепторов и какие они имеют размеры и формы. Ученый объединил около 600 веществ в группы по признаку схожести запаха. Определив частоту встречающихся ароматов, Эймуру удалось выделить семь «первичных» запахов:

Любой известный запах представляет собой смешение исходных элементов в определенной пропорции. Проблема определения геометрической формы молекул решилась при помощи дифракции рентгеновских лучей, инфракрасной спектроскопии, электронно-зондового анализа и целой кучи других методов, которые позволили построить трехмерную модель молекулы.

Оказалось, что мускусом пахнут частицы в форме диска, прохладный мятный запах имеют молекулы клиновидной формы, а цветочный — дискообразные с гибким хвостиком, как у воздушного змея. В итоге — рецепторный участок соответствует форме и размеру каждой из этих групп молекул. Лукреций оказался прав!

На сегодняшний день стереохимическая теория обоняния Монкриффа-Эймура — это самое достоверное объяснение способности ощущать запахи.

С открытием хаотичного движения частиц связана весьма забавная история. В момент, когда во второй половине XIX века ученый мир спорил о природе атомов (мол, они вообще существуют или это математическая фантазия?!) экспериментальное доказательство материальности этих частиц существовало уже 10 лет.

Британский ботаник Роберт Броун разглядывал в микроскоп цветочную пыльцу и обнаружил, что отдельные споры движутся совершенно хаотично. После ряда испытаний ученый выявил, что беспорядочное движение характерно не только для пыльцы, но и для всех других микроскопических частиц, которые соударяются с соседствующими. Это явление стало называться броуновским движением.

Лишь через 80 лет совместными усилиями легендарного Альберта Эйнштейна и французского физика Жана-Батиста Перрера открытие Броуна получило обоснование и стало крепким доказательством второго положения молекулярно-кинетической теории.

Однако первую скрипку в распространении запаха играет диффузия.

Например, если вы добавите сливок в свой утренний кофе, то через какое-то время их молекулы диффузируют друг в друга и образуют смесь, причем концентрация каждого из веществ на дне чашки и у ее бортиков будет одинакова.

Вернемся к нашим булочкам с корицей (они так хороши к кофе!). В момент, когда молекулы покидают поверхность горячей выпечки, они начинают по-броуновски толкаться и проникать между молекулами воздуха, постепенно перемешиваясь с ними и заполняя собой все доступное пространство. Именно поэтому, если на кухне стоят свежие булочки, то их аромат ощущается в любой точке помещения, а не только в определенных местах.

Интенсивность диффузии связана со скоростью движения молекул, а, значит, тоже зависит от температуры. Поэтому в горячем кофе сахар растворяется быстрее, а мыльную пену с посуды лучше смывать именно теплой водой.

В общем, вкушение любимых ароматов — это не только приятный, но и очень научный процесс! Но будьте осторожны — в отношении зловоний физика, к сожалению, тоже безотказно работает...