我们现在看到了嗅觉的作用

从最基本的层面来说，鼻子是一种过滤外界化学物质的工具，它能对我们飘过的各种形状和大小的数万亿分子进行分类、称重和归类。在本周的一项研究中，科学家们为了解嗅觉的一个基本步骤打开了一扇窗户。研究人员在周三发表于《自然》杂志上的一篇报道中记录了嗅觉受体工作的第一张图像，这为动物如何进化来对无穷无尽的种类进行分类提供了线索。

洛克菲勒大学的神经科学家 Vanessa Ruta 表示：“我经常想到的例子就是咖啡的气味，你会认为它是一种独特的香气。它由大约 200 种不同的分子组成，其中没有一种分子能单独唤起人们对咖啡气味的强烈感知。如果你将它与我们生活的其他感官世界进行比较，化学世界要大得多，变化也多得多。”

它非常复杂，需要大量的传感器才能将其分解开来。事实上，大约 5% 的小鼠基因组用于构建嗅觉受体。但即使是这种多样性也无法解释我们的嗅觉能力：人类仅用几百种受体就能感知数十万种不同的气味。

这是因为气味识别的工作原理有点像钢琴音乐。将每个受体视为一个键。两种不同的气味可能会触及几个相同的音符，但每种气味都会激活一组独特的受体。然后大脑将这些受体理解为气味。一些化学物质可能跨越数十个受体，而其他化学物质——尤其是像信息素和毒素这样的生死攸关的化合物——可能只会触及一个音符。

值得注意的是，多种化学物质可以激活同一种受体。通常，化学物质的物理结构与受体紧密贴合，就像钥匙与锁一样。但“嗅觉受体就像一把有很多钥匙的锁”，这项研究的资深作者鲁塔说。

“嗅觉的奥秘——它的神奇之处在于——我们鼻子中任何一个受体都必须检测的化学物质种类繁多，”鲁塔说。“因此，我们在这里对这种灵活的检测是如何发生的有了一些了解。”

利用电子显微镜，该论文的主要作者、洛克菲勒大学的神经科学家 Josefina del Marmol 首次捕捉到了嗅觉受体和结合气味分子之间相互作用的图像。

研究小组对跳尾虫进行了研究，跳尾虫是一种无翅、底部有胡须的昆虫，与蠹鱼关系密切。人们还认为，它与一些最早的昆虫相似，这意味着它可能是一个了解进化深层的窗口。“大多数动物有几十、几十、几百个受体，”德尔马莫尔说。“跳尾虫只有五个。而且从生物化学角度来看，它们比大多数现代昆虫都简单。”

为了捕捉结合的图像，研究小组将受体浸泡在驱虫剂 DEET 和丁香酚（丁香中的主要气味）中。丁香酚已知能与昆虫气味受体紧密结合，而 DEET 是一种形状非常不同的分子，昆虫也能检测到。

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两者都与一个受体结合——他们测试的近 70% 的气味都是如此。“它们的结构和化学特征截然不同，但它们都能被这个受体识别，”鲁塔说。

图像显示，化学物质与受体的结合相对较松散，更像是球与球座的结合，而不是钥匙与锁的结合。“不同的气味会找到不同的‘结合模式’，”鲁塔说。“它们在口袋中的定位略有不同。”

当气味物质停留在受体上时，它会拉开毛孔，让离子流向动物的神经发送信号。“锁和钥匙机制可能非常强大，因为它具有很强的特异性，”鲁塔说。“但在这里，它们的相互作用不是很强。这是一个非常小的变化。毛孔只需打开一点点。”

人类和所有脊椎动物一样，独立于昆虫发展出嗅觉，因此这些发现并不直接适用于我们自己的鼻子。我们与昆虫的最后共同祖先生活在水下，并使用不同的感官来检测化学物质。

但此后的数百万年里，脊椎动物和无脊椎动物已经发展出非常相似的嗅觉策略。受体本身也类似，并且以类似、独特的路径与神经系统相连。

“无论你是蜜蜂还是人类，你仍然必须能够检测环境中的各种气味，”鲁塔说。而且它们本质上是相同的气味。“这是趋同进化的一个例子：[脊椎动物受体] 是一个完全不同的蛋白质家族，但它们检测化学物质的功能基本相同。我怀疑，广谱受体的许多原理在两个家族中都是相同的。”

研究人员还对受体进行了轻微的调整，以了解微小的突变如何影响其检测化学物质的能力。“仅仅一个氨基酸就会对整个受体产生巨大影响，”德尔马莫尔说。“它在某种程度上扰乱了受体的反应方式。因此，这对于昆虫如何在极短的时间内进化出一套新的受体具有非常有趣的意义。”

“每只动物都有自己的小乐章——自己的管弦乐队，”她继续说道。“同样的音调、同样的音素，对不同的动物来说，意义却大不相同。”

换句话说，当有一大堆可能被嗅到的化学物质时，只需进行微小调整就能检测到新物质，就像人类免疫系统不断变异以寻找新的病原体一样。与此同时，鲁塔说，他们发现其他嗅觉受体尽管由完全不同的蛋白质组成，但可以具有几乎相同的结构。

这意味着这项研究可能还能为嗅觉如何随着时间的推移而进化提供一些见解。

“与在时间和空间上更稳定的感觉不同，如果你是一只苍蝇，飞到另一棵树上，你会有完全不同的感官体验，”德尔马莫尔说。“与此同时，当被子植物长出花朵时，世界发生了变化，出现了以前不存在的气味。”可能是嗅觉受体的灵活性让动物能够适应这个新世界。