鼻子之争：振动理论胜利与困扰

鼻子之争

振动理论取得了一些鼓舞人心的胜利，比如预测了癸硼烷的气味，但该理论也面临着一些与形状理论类似的困扰，比如镜像分子（如柠檬烯和苦艾萜）的气味迥然不同，但振动频谱却相同。于是，图林决定检验由他的理论得出的另一个预测。你可能还记得，在第2章中，为了利用动态同位素效应来检验酶促反应中的隧穿理论，我们用氘原子等更重的同位素取代了分子中最常见的氢原子。图林用了相似的方法。他选用的分子是苯乙酮，据称拥有“刺激性甜味……像是山楂香或是橙树开花时刺鼻的气味”。

图林购入一批非常昂贵的苯乙酮，该批苯乙酮分子中8个碳氢键上的氢原子全部都被换成了氘原子。更重的原子就像更重的琴弦，振动频率也就越低：正常的碳氢键以“高音”振动，频率约85～93太赫，但是如果用氘取代了其中的氢，碳氘键的频率将下降到约66太赫。因此，“氘化”物质与正常含氢物质具有非常不同的振动频谱。但是，它们闻起来是不是也不一样呢？图林锁上了实验室的门，小心翼翼地分别嗅闻了两种化合物。在闻过之后，图林认为两种化合物“闻起来不一样，氘化的苯乙酮甜味更弱，更像溶剂的味道”。在精心提纯两类化合物之后，他依然相信氢化和氘化两种形式的苯乙酮气味非常不同。图林宣称，他的理论已获得证实。

图林的研究引起了投资者的注意，他们向图林提供资金支持，成立了一家名叫Flexitral的新公司，致力于利用图林的量子振动理论生产新的芳香剂。作家钱德勒·伯尔（Chandler Burr）甚至专门写了一本书来介绍图林对嗅觉分子机制的探索，BBC还拍了一部纪录片来讲述图林的工作。

但许多人，特别是形状理论的拥趸，仍然远没有被说服。洛克菲勒大学的莱斯利·沃萨尔（Leslie Vosshall）和安德烈亚斯·凯勒（Andreas Keller）用普通和氘化的苯乙酮重复了图林的嗅闻实验，但测试时，他们没有利用图林那极端灵敏的鼻子，而是询问24名普通的被试是否能区分出两种化合物。实验结果非常明确：两者闻起来并无差别。他们的论文与一篇社论同时发表在2004年的《自然神经科学》（Nature Neuroscience）上。该社论称，气味的振动理论“并未获得科学界的信任”。

不过，正如许多医学研究人员会告诉你的那样，人体实验的讨厌之处在于会受到各种复杂情况的影响，比如被试人员的期望或被试在实验前的经历。为了避免这些问题，希腊亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）研究所的一个研究小组，由埃夫西米奥斯·斯库拉基斯牵头，吸纳了一些来自麻省理工学院的研究人员，其中还包括卢卡·图林，决定转用表现更好的物种：实验室培养的果蝇。前文曾介绍过加布丽埃尔·格拉克的珊瑚礁鱼水槽选择实验，该小组设计的实验，正是该实验的果蝇翻版，他们称之为果蝇“T型迷宫”实验。(www.xing528.com)

果蝇由主干部进入T型迷宫，向前飞至T型的横竖连接部时，不得不做出决定：向左还是向右？T型迷宫的左右两臂都会泵入一些有气味的空气，因此，研究者通过计数飞往各个方向的果蝇数量，就能判断果蝇是否能够区分出分别掺在左右两臂气流中的气味分子。

小组先检验了果蝇是否能够闻出苯乙酮的味道。答案是果蝇确实可以做到：在迷宫管道的右臂末端注入一点点苯乙酮，便足以让几乎全部的果蝇对这种水果芳香趋之若鹜。团队随后用氘取代了苯乙酮中的氢原子，不过这次，他们采用了循序渐进的做法，依次替代了苯乙酮中的3个、5个或全部8个氢原子，然后分别检验每种物质，并在迷宫另一臂（左臂）中用非氘化的苯乙酮做对照。实验结果非常喜人。当分子中只含有三个氘原子时，果蝇在迷宫的岔口处不再一味地偏爱向右转，而是随机的飞向左边或右边。但是，当研究人员将右臂中物质换为含五个或八个氘原子的苯乙酮时，果蝇毫不犹豫地飞向了左边，远离了氘化的气味。果蝇似乎可以闻出正常的苯乙酮和氘原子取代后的苯乙酮，而且喜欢前者而不喜欢后者。该小组又试验了其他两种化合物，发现果蝇可以轻松地识别出分别含有氢和氘的辛醇，但无法分辨对应两种形态的苯甲醛。为了证明果蝇是通过嗅觉来闻出重氢键（即氘键）的，研究人员还测试了缺乏有效嗅觉感受器的变异种果蝇。与预期相同，这些嗅觉缺失[48]的变种完全不能区分含有氢的和氘化了的气味分子。

利用巴甫洛夫理论的经典条件发射，研究人员甚至成功地训练果蝇将特定形态的化学物质与惩罚联系了起来：如果飞向含碳氘键的化合物，便轻微电击果蝇的脚。该小组借此进行了更加令人叹服的实验来证明振动理论。首先，他们训练果蝇避开含碳氘键的化合物，该键的典型振动频率约为66太赫。之后，他们想，果蝇的这种避害行为是否会推广到其他类别迥异、但恰好拥有相同振动频率的化合物呢？答案是肯定的。该团队发现，经过训练可以避开碳氘键化合物的果蝇，同样也会避开腈类化合物。尽管化学性质非常不同，腈类化合物中碳氮键的振动频率与碳氘键基本相同。该研究有力地说明，至少在果蝇中，振动参与了嗅觉作用。他们的论文于2011年发表在赫赫有名的科学期刊《美国国家科学院院刊》上。

次年，斯库拉基斯和图林趁热打铁，与伦敦大学学院的研究人员展开合作，将研究回归到了那个最棘手的问题：人类是否也能通过感知振动来产生嗅觉。该小组并没有仅仅依赖图林那极度灵敏的鼻子，而是招募了11名被试来参与嗅闻实验。他们首先证实了沃萨尔和凯勒的实验结果：被试无法嗅出苯乙酮中的碳氘键。但该小组认为，苯乙酮中仅有8个碳氢键，即使氘原子取代全部8个氢原子，信号依然太弱，普通人的鼻子根本闻不出差别。因此，他们决定研究结构更复杂的麝香味分子（图4-2中的分子）。这些分子中最多含有28个氢原子，每个都可以被氘原子取代。这一次，与之前的苯乙酮实验形成了鲜明的对比，全部11名被试都可以轻易地分辨出普通麝香和完全氘化的麝香。经过许多波折，或许人类真的能通过感知不同的振动频率来嗅出不同的分子。