从最基本的层面讲，鼻子是过滤外界化学物质的工具，对我们周围漂浮着的数万亿种形状和大小各异的分子进行分类、称重和归类。在本周发表的一项研究中，科学家们揭示了嗅觉感知的一个基本步骤。研究人员在《自然》杂志上报道称，他们首次捕捉到了嗅觉受体工作时的图像——这为我们了解动物如何进化出分辨这种无穷无尽的化学物质提供了线索。
洛克菲勒大学神经科学家Vanessa Ruta说：“我经常会想到咖啡的味道，你觉得它是一种独特的香气。它由大约200种不同的分子组成，但没有任何一种分子单独能强烈地唤起咖啡的味道。如果你将其与其他我们生活的感官世界相比，化学世界要大得多，也多变得多。”
它是如此复杂，以至于需要大量的传感器来分辨。事实上，小鼠基因组中约有百分之五用于构建嗅觉受体。但即使是这种多样性也无法解释我们的嗅觉能力：人类仅凭几百种受体就能分辨出数十万种不同的气味。
这是因为气味识别的工作方式有点像钢琴音乐。将每种受体想象成一个琴键。两种不同的气味可能会触碰到几个相同的琴键，但每种气味都会激活一组独特的琴键组合。然后，大脑会将这些组合理解为气味。有些化学物质可能会激活数十种受体，而另一些——尤其是信息素和毒素等生死攸关的化合物——可能只会触动一个琴键。
值得注意的是，多种化学物质一开始就可以激活同一种受体。通常情况下，化学物质的物理结构会像钥匙锁一样，紧密地契合在受体中。但Ruta说：“嗅觉受体就像一把能开多种锁的锁。”
Ruta说：“嗅觉的神秘之处——它的神奇之处——在于我们鼻子里的任何一种受体都必须能够检测到数量如此庞大的化学物质。所以，我们现在对这种灵活的检测是如何发生的有了一些了解。”
使用电子显微镜，该论文的通讯作者，同样是洛克菲勒大学神经科学家的Josefina del Marmol，捕捉到了嗅觉受体与结合的香气分子相互作用的首次图像。
该团队在跳蚤（一种无翅、有触须的昆虫，与衣鱼关系密切）中进行了这项研究。它也被认为与最早的昆虫相似，这意味着它可能是我们了解远古演化史的一个窗口。del Marmol说：“大多数动物有几十、几百个受体。跳蚤只有五个。而且它们的生化性质比大多数现代昆虫更简单。”
为了捕捉结合的图像，该团队将受体浸泡在DEET（一种驱虫剂）和丁香酚（一种丁香中的关键气味）中。丁香酚已知会与昆虫嗅觉受体紧密结合，而DEET的分子形状则非常不同，但昆虫也能检测到它。
两者都与一种受体结合——他们测试的近70%的气味也是如此。Ruta说：“它们的结构和化学特征非常不同，但它们都可以被这一个受体识别。”
图像显示，化学物质与受体的结合相对松散，更像是球在插槽里，而不是钥匙在锁里。Ruta说：“不同的气味分子会找到不同的‘结合模式’。它们在受体口袋中的方向略有不同。”
当气味分子与受体结合时，它会拉开一个通道，让离子流向动物的神经发送信号。Ruta说：“锁和钥匙机制可能非常牢固，因为它们具有高度特异性。但在这里，相互作用不是很强。这是一个非常小的变化。通道只需要稍微打开一点点。”
人类，像所有脊椎动物一样，我们的嗅觉是独立于昆虫进化的，所以这些发现不会直接适用于我们自己的鼻子。我们与昆虫最后的共同祖先生活在水中，并使用不同的感官来检测化学物质。
但在那之后的数百万年里，脊椎动物和无脊椎动物在嗅觉方面发展出了惊人相似的策略。受体本身是相似的，而且它们以一种相似且独特的途径连接到神经系统。
Ruta说：“无论是蜜蜂还是人类，你仍然需要能够检测环境中各种各样的气味。它们基本上是相同的气味。这是一个趋同进化的例子：[脊椎动物的受体]是完全不同的蛋白质家族，但它们在检测化学物质方面基本上做的是同一件事。我怀疑，广泛适应性受体的许多原理在两个家族中都会是相同的。”
研究人员还对受体进行了微调，以了解微小的突变如何影响其检测化学物质的能力。del Marmol说：“仅仅一个氨基酸就对整个受体产生了巨大的影响。它似乎扰乱了受体响应的方式。这对昆虫如何在很短的时间内进化出新的受体组合具有非常有趣的启示。”
她接着说：“每种动物都有自己独特的‘音乐乐章’——自己的‘管弦乐队’。相同的琴键，相同的化合物，对不同的动物来说意义可能截然不同。”
换句话说，当存在一个数量庞大的潜在化学物质可以被嗅探时，能够通过微小的调整就能检测新物质是有益的，这与人类免疫系统不断突变以搜寻新病原体的方式很相似。与此同时，Ruta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。
这意味着这项工作也可能为我们了解嗅觉是如何随着时间进化的提供一些见解。
del Marmol说：“与在时间和空间上更稳定的感觉不同，如果你是一只苍蝇，搬到了另一棵树上，你的感官体验就会完全不同。同时，当被子植物进化出花朵时，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。”
