我们是如何闻出味道的？

我们是如何闻出味道的

视觉或听觉通过来自物体的电磁波或声波间接获取信息，味觉和嗅觉则与之不同，它们通过直接接触物体（分子）接收信息，截获“来自物质实在”的信号。而且味觉与嗅觉似乎遵循相似的工作原理。气味分子要么溶解在唾液中，要么飘散在空气中，被位于舌头或是鼻腔顶部嗅觉上皮的感受器截获。气味传播依赖挥发性，这意味着大多数气味其实是很小的分子。

鼻子本身并不能闻到气味，只能把空气输送至鼻腔后部的嗅觉上皮（见图4-1）。人的嗅觉上皮大约只有3平方厘米，约为一张邮票的大小。不过，这块组织虽然很小，却布满了分泌黏液的腺体和数百万嗅觉神经元。嗅觉神经元之于嗅觉，就像视杆细胞与视锥细胞之于视觉。嗅觉神经元前端的形状有点像扫帚，末端分了很多叉，神经元细胞膜在此处折叠成许多毛发状的纤毛。这些纤毛就是扫帚头，伸出细胞层之外，捕获往来的气味分子。细胞的尾端就像扫帚柄，是嗅觉神经元的轴突，穿过鼻腔后部的一小块骨头进入大脑，与大脑中主管嗅觉的区域嗅球（olfactory bulb）相连。

图4-1　嗅觉系统的解剖结构

在阅读本章剩余的部分时，你最好能在面前摆个橙子。要是能把橙子切成几瓣，让橙子浓烈的香气释放出来，经过你的鼻子到达嗅觉上皮就更好了。你甚至可以把一块橙子送入口中，让它的气味经鼻腔后部的通道抵达嗅觉上皮。与所有自然界的气味一样，橙子的香味也很复杂，由数百种挥发性化合物组成。不过，其中香气最为浓郁的物质要数柠檬烯[41]，现在就让我们追踪它从分子变成香味的过程吧。

顾名思义，柠檬烯在橙子、柠檬等柑橘类水果中非常丰富，它在很大程度上决定了柑橘类水果香浓的气味和口味。柠檬烯属于萜烯类化合物（terpenes），是许多植物、花卉精油中的芳香成分，能释放出松树、玫瑰、葡萄和啤酒花等植物各具特色的芳香。所以，如果你喜欢，也可以把橙子换成一杯啤酒或红酒。柑橘类植物的许多部位都可以产生这种化学物质，甚至包括叶子，不过，含柠檬烯最多的部位要数果皮了，从中甚至可以压榨出近乎纯净的柠檬烯。

柠檬烯是一种挥发性液体，在常温下会逐渐蒸发。因此，你面前的这颗橙子会向周围的空气中释放出数以百万计的柠檬烯分子。这些分子大多数会在房间里飘散，还会从门窗逸散出去，但是一小部分会随着气流进入你的鼻子。你的下一次呼吸就会吸入几升含有柠檬烯分子的空气，这些空气会穿过你的鼻孔，经过你鼻腔中的上皮组织，而那里排列着约1 000万嗅觉神经元。

当含有柠檬烯分子的气流拂过嗅觉上皮的纤毛刷，一些柠檬烯分子被嗅觉神经元截获。仅仅一个柠檬烯分子便足以开启神经元细胞膜表面的微小通道，让带正电的钙离子从细胞外涌入细胞内。当截获的柠檬烯分子数达到约35个时，陆续流入细胞的离子形成了约为1微微安培[42]的微弱电流。这个级别的电流可以像开关一样向扫帚般的嗅觉神经元细胞的柄部，也就是轴突，发出一个被称为动作电位的电信号（详见第7章）。该信号一路传导至大脑中的嗅球。经过进一步的神经处理，你便体验到了“来自物质实在”的信息——橙子的芳香。

整个过程的关键步骤是嗅觉神经元捕获气味分子。那么，这个步骤的机理是什么呢？与眼睛中对光敏感的视锥细胞和视杆细胞引发视觉类似，过去认为，嗅觉是由某种位于体表的嗅觉感受器产生的。但是，直到20世纪70年代，人类对嗅觉感受器的性质和特征依然一无所知，直到一位科学家现身。

理查德·阿克塞尔（Richard Axel）于1948年出生于纽约市布鲁克林区，他是家中长子。为了躲避纳粹入侵，他的父母逃离波兰，移民到了美国。他的童年和邻居的小伙伴们并无两样：除了玩棍球（一种街头棒球，以井盖为球垒，以扫帚柄为球棒）或是在路上、院子里打打篮球外，就是帮自己的裁缝父亲跑腿打杂。11岁时，阿克塞尔有了第一份工作，当信差，负责给牙医递送假牙。12岁时，他的工作是给人铺地毯，13岁时，在一家当地的熟食店卖腌牛肉和五香熏牛肉。熟食店的主厨是俄国人，在切卷心菜时常常背诵莎士比亚的作品，这让小阿克塞尔第一次真正接触到了熟食店和棒球场以外的文化世界，激发了他对优秀文学作品深刻而持久的热爱。阿克塞尔的聪明才智被一位当地的高中教师发现。在这位老师的鼓励下，他成功地申请到了哥伦比亚大学的奖学金，攻读文学。

那时正是20世纪60年代，作为一年级新生，阿克塞尔徜徉在大学生活的智识漩涡中。后来，为了支持他那喜爱聚会宴游的生活方式，阿克塞尔找了一份在分子遗传学实验室清洗玻璃器皿的工作。他很快对这门新兴的科学着了迷，但洗洗涮涮的工作却做得一团糟，让人绝望。于是实验室解雇了这位玻璃器皿清洗员，重新雇他做研究助理。在文学与科学之间疲于奔命的他，最终决定攻读遗传学研究生课程，之后他又转专业去学医。就像当年不会洗试管烧杯一样，他学医学得一塌糊涂。他听诊听不出心脏杂音，眼底检查从来看不见视网膜，他曾手术时把眼镜掉进了患者已经剖开的腹中，更荒诞的是，有一次他竟把一位外科医生的手指缝在了患者身上。学校最终还是让他毕业了，不过前提条件是他承诺永远不在活的病人身上行医。于是，他回到哥伦比亚大学研究病理学，但一年之后，病理学系的主任坚持认为，他也不适合在死去的患者身上行医。(www.xing528.com)

在意识到医学远非他能力所及之后，阿克塞尔最终还是勉强留在了哥伦比亚大学做研究。此后，他进步神速，甚至发明了一种向哺乳动物细胞中转移异体DNA的全新技术。该技术后来成为20世纪晚期遗传工程和生物技术革命的中流砥柱。哥伦比亚大学仅凭颁发技术许可，便获得了数亿美元的收入：比起当年学校投资给阿克塞尔的奖学金，回报可谓相当丰厚。

到了20世纪80年代，阿克塞尔开始思考，分子生物学是否能够帮助解决“人类的大脑究竟是如何工作的”这个谜中之谜。他将自己的研究方向从基因的行为转变为通过基因研究行为。他的长远目标是“剖析高级大脑中枢产生‘知觉’的机理，比如大脑如何感知到丁香、咖啡或臭鼬的气味……”。他在神经科学领域初显身手是研究海蜗牛的产卵行为。差不多正是在这个时候，一名很有天赋的研究员琳达·巴克（Linda Buck）加入了他的实验室。巴克在达拉斯大学接受了成为免疫学家的系统训练，后来她又对方兴未艾的分子神经生物学领域产生了兴趣。于是，巴克来到了该领域研究的最前沿，加入了阿克塞尔的实验室。

阿克塞尔与巴克一起设计了一系列天才的实验来研究嗅觉的分子基础。他们解决的第一个问题就是找出受体分子。之前假设受体分子可能存在于嗅觉神经元表面，并能捕获和识别不同的气味分子。基于对其他感受器细胞的了解，他们猜测嗅觉受体是某类伸出细胞膜表面的蛋白质，可以在细胞膜外与路过的气味分子结合。但彼时还未曾有人分离出任何气味受体，因此，大家对这些受体的模样或工作原理没有一点头绪。阿克塞尔和巴克的小组不得不凭感觉继续下去，他们隐约觉得，这些遮遮掩掩的受体可能属于一类叫作G蛋白偶联受体的蛋白质家族，科学家已证实该类受体会参与探测其他类型的化学信号，比如荷尔蒙。

琳达·巴克成功地发现了编码该类受体一族全新的基因，而且该族基因只在嗅觉受体神经元中表达[43]。她继续证明，这些基因确实编码了不易察觉的、能捕捉气味的受体。进一步的分析显示，大鼠基因组编码了约1 000个这类新发现的受体，互相之间有微妙的差别，而且每一种受体可能会单独感受一种气味。人类嗅觉受体基因的数量与大鼠类似，但有2/3退变成了假基因（pseudogenes），就像基因化石一样，这类基因累积了太多变异，不再表达。

但不管是有300个还是1 000个受体基因，比起人类能够识别的1万种不同的气味，都要少得多。很明显，气味受体与气味种类之间并非一一对应的关系。

嗅觉受体在收到信号后如何将其转化为对气味的感知，仍是未解之谜。此外，不同的细胞是如何分工来探测种类繁多的气味分子的，也不清楚。每个细胞的基因组都包含了全套的嗅觉受体基因，因此，每个受体都有探测所有气味的潜能。抑或这些受体间存在某种劳动分工？为了回答这些问题，阿克塞尔与巴克设计了一个更为绝妙的实验。

阿克塞尔改变了小鼠的基因，使所有表达了某种特定气味受体基因的嗅觉神经元都会被染成蓝色。如果所有细胞都变蓝，那就说明这些细胞都表达了这种受体。当该小组检查经过基因修饰的小鼠的嗅觉细胞时，答案变得明朗：每1 000个细胞中大约有1个变成了蓝色。嗅觉神经元似乎并不是多面手，而更像是专精一面的专家。

不久之后，琳达·巴克离开了哥伦比亚大学，在哈佛大学建立了自己的实验室。两个小组并驾齐驱，继续工作，解开了许多遗留的嗅觉秘密。他们很快设计了分离单个嗅觉神经元的方法，直接探究神经元对某种特殊气味分子的敏感度，比如橙子中的柠檬烯。他们发现，一种有气味的物质可以激活不只一种神经元，而一种神经元又会对几种不同的气味有反应。这些发现似乎解开了之前那错综复杂的谜题：“为什么区区300种嗅觉感受器就可以分辨1万种不同的气味？”就像26个字母能以许多不同的方式组合，拼出一本书中的每一个单词一样，以不同的排列组合激活几百个嗅觉感受器，可以产生数以兆计的可能性，从而识别大量不同的气味。

理查德·阿克塞尔和琳达·巴克由于对“嗅觉受体和嗅觉系统组织”的开拓性发现，获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。