Οι ώσεις της όσφρησης

Από τότε που ο άνθρωπος έπαψε να αποδίδει στο θείο και στο υπερφυσικό ό,τι τον ξεπερνούσε και βάλθηκε να κατανοεί με τις δικές του νοητικές δυνάμεις τον κόσμο που τον περιβάλλει, τα φωτισμένα μυαλά, που άλλοτε ονομάζονταν φιλόσοφοι, άλλοτε μύστες, άλλοτε φυσιοδίφες και εν τέλει επιστήμονες, έφτιαχναν θεωρίες.

Με τον όρο «θεωρία» δεν εννοούμε εδώ το αντίθετο της πράξης, αλλά μια σειρά από παραδοχές βασισμένες σε παρατηρήσεις και μετρήσεις. Ετσι, μια θεωρία αφενός είναι ικανή να εξηγήσει τα υπάρχοντα δεδομένα και αφετέρου να προβλέψει την έκβαση μελλοντικών πειραμάτων ή την ύπαρξη δεδομένων που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.

Παραδείγματος χάριν, όταν ο Μεντελέγεφ δημιούργησε τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, μπόρεσε να προβλέψει τις ιδιότητες χημικών στοιχείων που δεν είχαν ακόμη ανακαλυφθεί και τα οποία θα καταλάμβαναν πολύ συγκεκριμένες θέσεις στον πίνακά του. Αντίστοιχα, όταν ο Δαρβίνος διατύπωσε τη θεωρία της εξέλιξης, όχι μόνο εξήγησε με πειστικό τρόπο την προέλευση των ειδών, αλλά μπόρεσε να προβλέψει την ύπαρξη ειδών που λειτούργησαν ως ενδιάμεσοι εξελικτικοί κρίκοι, πολύ πριν η σκαπάνη των παλαιοντολόγων φέρει στο φως τα αντίστοιχα απολιθώματα.

Στην πραγματικότητα, μια θεωρία ισχυροποιείται κάθε φορά που επιβεβαιώνονται οι προβλέψεις που βασίζονται σε αυτή.
Βεβαίως, η επιστήμη είναι ένα συνεχές εμπειρικό παιχνίδι και όταν το πείραμα δεν έρχεται να επιβεβαιώσει τις προβλέψεις, οι θεωρίες τροποποιούνται ή και εγκαταλείπονται.

Μια θεωρία για την όσφρηση

Οταν ο Ρίτσαρντ Αξελ (Richard Axel) και η Λίντα Μπακ (Linda B. Buck) ανακάλυψαν έπειτα από δεκαετείς ερευνητικές προσπάθειες τα γονίδια στα οποία είναι εγγεγραμμένες οι πληροφορίες για τη σύνθεση των οσφρητικών υποδοχέων (των πρωτεϊνών που εντοπίζονται στους οσφρητικούς νευρώνες και οι οποίες αλληλεπιδρούν με τα πτητικά μόρια που φτάνουν στα ρουθούνια μας), προσέθεσαν ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ της λειτουργίας της όσφρησης. Συνοπτικά, σήμερα, η επικρατούσα θεωρία για την όσφρηση υπαγορεύει τα ακόλουθα: Η αλληλεπίδραση των πτητικών μορίων με συγκεκριμένους οσφρητικούς υποδοχείς ενεργοποιεί τους οσφρητικούς νευρώνες που, στέλνοντας ηλεκτρικά σήματα, πληροφορούν τον εγκέφαλο για την ταυτότητα των εν λόγω μορίων.

Πού βασίζεται όμως η δυνατότητα να ξεχωρίζουμε την κάθε οσμή; Στο γεγονός ότι κάθε οσφρητικός νευρώνας φέρει μόνο έναν τύπο οσφρητικού υποδοχέα. Με άλλα λόγια, όταν υπάρχει καπνός από φωτιά στην ατμόσφαιρα, αυτός θα αλληλεπιδράσει μόνο με τους οσφρητικούς νευρώνες που εξειδικεύονται (χάρη στους υποδοχείς τους) στην αναγνώριση του καπνού.

Καλά ως εδώ! Υπάρχουν όμως ορισμένα ερωτήματα που χρήζουν απαντήσεων και τα οποία στην ουσία είναι αλληλένδετα. Το ένα αφορά το είδος της αλληλεπίδρασης πτητικού μορίου - οσφρητικού υποδοχέα. Και το άλλο είναι το εξής: Πώς είναι δυνατόν με μόλις 400 διαφορετικούς τύπους υποδοχέων να αναγνωρίζουμε πολλές χιλιάδες οσμές; (περίπου 10.000)

Σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρία, τα πτητικά μόρια έχουν μια σχέση κλειδιού - κλειδαριάς με τους υποδοχείς τους. Με άλλα λόγια, όταν ένα πτητικό μόριο φθάνει στα ρουθούνια μας, προσδένεται στους υποδοχείς εκείνους που έχουν συμπληρωματική στερεοδιάταξη με αυτό. Προκειμένου να απαντηθεί το δεύτερο ερώτημα, η θεωρία δέχεται ότι υπάρχει δυνατότητα ισχνότερης πρόσδεσης και σε άλλους υποδοχείς, οι οποίοι ενεργοποιούνται σε μικρότερο βαθμό, με αποτέλεσμα να δημιουργείται τελικά στον εγκέφαλο ένας χάρτης (ισχυρών και ισχνότερα ενεργοποιημένων νευρώνων) που αποτελεί το σήμα κατατεθέν για κάθε ουσία.

Η αχίλλειος πτέρνα

Ενα από τα τρωτά σημεία της επικρατούσας θεωρίας είναι η έλλειψη προβλεπτικής ικανότητας. Δεν είναι δυνατόν να μαντέψουμε πώς θα μυρίζει ένα μόριο μόνο και μόνο από τη στερεοδιάταξή του. Ετσι, αν στην αιθανόλη η οποία μυρίζει αλκοόλ αντικαταστήσουμε ένα μόριο οξυγόνου με ένα μόριο θείου παίρνουμε την αιθανοθειόλη, η οποία έχει τη μυρωδιά χαλασμένου αβγού, παρά το γεγονός ότι η στερεοδιάταξή της είναι πολύ κοντά σε αυτή της αιθανόλης. Αν σε τέτοιου είδους παρατηρήσεις προστεθούν και εκείνες που αφορούν μόρια με την ίδια περίπου μυρωδιά, αλλά εντελώς διαφορετική στερεοδιάταξη (πράγμα που σημαίνει ότι είναι αδύνατον να προσδένονται και να ενεργοποιούν τους ίδιους υποδοχείς), αντιλαμβάνεται κανείς ότι η θεωρία μας για τη λειτουργία της όσφρησης έχει κενά που θα πρέπει να συμπληρωθούν.

Αυτό κάνουν τα τελευταία χρόνια δύο ερευνητές, ο νευροβιολόγος Ευθύμιος Σκουλάκης του Ινστιτούτου Φλέμινγκ και ο βιοφυσικός Λούκα Τούριν (Luca Turin), ο οποίος άφησε το ΜΙΤ προκειμένου να έρθει στην Ελλάδα και να συνεργαστεί με τον Σκουλάκη. Ο έλληνας ερευνητής μελετά τους μηχανισμούς της μνήμης και της μάθησης αξιοποιώντας το κλασικό πειραματόζωο Drosophila melanogaster (μύγα του ξιδιού).

Στο πλαίσιο των μελετών του έχει αναπτύξει μεθόδους που επιτρέπουν την εκπαίδευση των μυγών με τη βοήθεια οσφρητικών σημάτων. Ο Τούριν τον προσέγγισε επειδή οι μέθοδοί του θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για να ελεχθεί μια υπόθεση για την όσφρηση που είχε διατυπωθεί από τον βρετανό χημικό Μάλκολμ Ντάισον (Sir Μalcolm Dyson), το 1937. Η υπόθεση αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα κάθε μορίου δονούνται σε μια ορισμένη συχνότητα. Θα μπορούσαν άραγε αυτές οι δονήσεις (κβαντικές ταλαντώσεις) να αποτελούν τη μοριακή υπογραφή κάθε οσμής, όπως υποστήριξε ο Ντάισον;

Καταφατική ήταν η απάντηση σε αυτό το ερώτημα, όπως θα θυμούνται ίσως οι πιστοί αναγνώστες του ΒΗΜΑ-Science. To 2011, οι δύο ερευνητές δημοσίευσαν μια σειρά πολύ κομψών πειραμάτων τα οποία έδειχναν ότι οι μύγες ξεχώριζαν τις ουσίες από την ταλάντωσή τους και όχι από τη στερεοδιάταξή τους. Παραδείγματος χάριν, όταν οι ερευνητές αντικατέστησαν με δευτέριο το υδρογόνο της ουσίας ακετοφαινόνη, η οποία είναι προσφιλής στις μύγες, το μόνο που έκαναν ήταν να αλλάξουν την ταλάντωση της ακετοφαινόνης και όχι τη στερεοδιάταξή της (καθώς το δευτέριο είναι βαρύτερο ισότοπο του υδρογόνου). Ωστόσο, η αλλαγή αυτή κατέστησε το μόριο της ακετοφαινόνης αδιάφορο στις μύγες, που συνέχιζαν να δείχνουν την προτίμησή τους στην κανονική μη δευτεριωμένη ακετοφαινόνη.

Ιδανικά πειράματα

Τα αρχικά ευρήματα ενθάρρυναν τους ερευνητές να συνεχίσουν. Ετσι πρόσφατα δημοσίευσαν ένα ακόμη άρθρο με ευρήματα που ενισχύουν περαιτέρω τη θεωρία τους και εμείς τους επισκεφθήκαμε στο Ινστιτούτο Φλέμινγκ για να πληροφορηθούμε τις λεπτομέρειες. Ο πάντα χειμαρρώδης Τούριν άρχισε τη συζήτησή μας ως εξής: «Ας σκεφτούμε ποιο θα ήταν το ιδανικό πείραμα που θα καταδείκνυε ποια από τις δύο θεωρίες είναι η ορθή, καταρρίπτοντας ταυτόχρονα την άλλη. Ξέρουμε ότι η επικρατούσα θεωρία θέλει την οσμή μιας ουσίας να είναι εγγεγραμμένη στο σχήμα του μορίου της, το οποίο με τη σειρά του καθορίζει το είδος του υποδοχέα στον οποίο χωρά, με τον οποίο είναι συμπληρωματικό.

Προκειται για μια θεωρία κλειδιού - κλειδαριάς, όπου η χωροταξική δομή και των δύο μορίων (και του κλειδιού και της κλειδαριάς) είναι σημαντική για την ενεργοποίηση του μηχανισμού μέσω του οποίου μεταδίδεται στον εγκέφαλο η πληροφορία της κάθε οσμής. Εστω ότι στο υποθετικό μας πείραμα τροποποιούνται όλοι οι υποδοχείς, ενώ η σύνδεσή τους με τον εγκέφαλο παραμένει άθικτη.

Μια τέτοια τροποποίηση θα είχε ως συνέπεια ένα πτητικό μόριο το οποίο αναγνωριζόταν από τον υποδοχέα Α, τώρα να αναγνωρίζεται από τον Β και ως εκ τούτου να γίνεται αντιληπτό ως μόριο διαφορετικής οσμής. Αντιθέτως, στη θεωρία της ταλάντωσης, η οσμή ενός μορίου κωδικοποιείται στις μοριακές ταλαντώσεις του. Ο μεγάλος αριθμός οσφρητικών υποδοχέων εξασφαλίζει ότι αρκετοί από αυτούς προσλαμβάνουν ένα δεδομένο μόριο έτσι ώστε όλο το φάσμα των ταλαντώσεών του να καταγράφεται και να επεξεργάζεται από τον εγκέφαλο. Αν επαναλάβουμε τώρα το ίδιο υποθετικό πείραμα (τροποποιήσουμε δηλαδή τους υποδοχείς), και πάλι τα μόρια θα προσδένονται σε διαφορετικούς υποδοχείς, αλλά επειδή θα υπάρχουν αρκετοί από τον καθένα, όλο το φάσμα των ταλαντώσεων θα καταγράφεται και θα επεξεργάζεται από τον εγκέφαλο. Και αυτή τη φορά η οσμή του θα παραμένει ίδια!».

Οπως εύκολα μπορεί να φανταστεί κανείς, το ιδανικό πείραμα δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί! Οι οσφρητικοί νευρώνες και οι υποδοχείς τους δεν μπορούν να αλλάξουν για χάρη μας τις θέσεις τους στο οσφρητικό επιθήλιο! Για τον λόγο αυτόν οι δύο ερευνητές και η συνεργάτιδά τους Κλειώ Μανιάτη πειραματίστηκαν και πάλι με τις μύγες (για την ακρίβεια με ορδές μυγών), οι οποίες, όπως εξήγησε ο δρ Σκουλάκης, «είναι προικισμένες με εντελώς διαφορετικούς οσφρητικούς υποδοχείς από εκείνους των θηλαστικών». Αντιλαμβάνονται άραγε οι μύγες τις οσμές όπως εμείς; Και ποιες ουσίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να ελεγχθεί η θεωρία των δύο επιστημόνων;

Πραγματικά πειράματα

Για τον πρώτο τους πειραματισμό οι δύο ερευνητές αξιοποίησαν μια ευτυχή χημική σύμπτωση: το γεγονός ότι τα βοράνια και οι θειόλες μυρίζουν το ίδιο, αν και δεν έχουν καμία ομοιότητα στη στερεοδιάταξη. Ειδικότερα, τα βοράνια είναι ενώσεις υδρογόνου με βόριο, ενώ οι θειόλες είναι οργανικές ενώσεις που περιέχουν υδροθειομάδες συνδεδεμένες με μόρια άνθρακα.

Η παρουσία της υδροθειομάδας δίνει στις θειόλες τη χαρακτηριστική μυρωδιά χαλασμένου αβγού, την οποία μοιράζονται και τα εντελώς διαφορετικής στερεοδιάταξης βοράνια. Οταν οι ερευνητές εκπαίδευσαν τις μύγες να αποφεύγουν τα βοράνια, οι μύγες έδειχναν την ίδια αποστροφή και για τις θειόλες. Ομοίως, μια άλλη ομάδα μυγών που είχε εκπαιδευτεί να αποφεύγει τις θειόλες, χωρίς άλλη εκπαίδευση απέφευγε και τα βοράνια. Πώς εξηγείται αυτό;

Παρά τις δομικές διαφορές τους, τα βοράνια και οι θειόλες έχουν κάτι κοινό: όπως μπορεί κανείς να διαπιστώσει με τη βοήθεια φασματογράφου, ο δεσμός βορίου - υδρογόνου των βορανίων έχει την ίδια συχνότητα μοριακής ταλάντωσης με τον δεσμό θείου - υδρογόνου των θειολών. Με άλλα λόγια, το μόνο που μπορεί να εξηγήσει την αντίληψή μας (όπως και των μυγών) για την ταυτόσημη οσμή των βορανίων και των θειολών δεν είναι η ανόμοια στερεοδιάταξή τους, αλλά η κοινή συχνότητα μοριακής ταλάντωσης.

Οι Σκουλάκης και Τούριν δεν αρκέστηκαν μόνο σε αυτή την επιβεβαίωση όμως. Προχώρησαν τον πειραματισμό τους ένα ακόμη βήμα, το οποίο είχε στόχο να διερευνήσει την ένταση της ταλάντωσης και όχι μόνο τη συχνότητά της. Οι δύο ερευνητές επέλεξαν να εργαστούν με τις κυανιδρίνες, ουσίες οι οποίες χαρακτηρίζονται από την παρουσία ενός νιτριλίου και μιας υδροξυλομάδας προσδεδεμένων στο ίδιο άτομο άνθρακα.

Παρά την παρουσία του νιτριλίου, οι «νιτριλική» οσμή των κυανιδρίνων δεν είναι έντονη, όπως δεν είναι έντονη και σε έναν φασματογράφο η χαρακτηριστική ταλάντωσή του. Οταν όμως η υδροξυλομάδα μεταφερθεί στο επόμενο άτομο άνθρακα, τότε αποκαθίστανται και η νιτριλική οσμή και η ένταση της ταλάντωσης. Οπως περιγράφεται στο άρθρο των δύο επιστημόνων, οι μύγες που εκπαιδεύτηκαν να αποφεύγουν τα νιτρίλια δεν αποφεύγουν τις κυανιδρίνες, αλλά αποφεύγουν τα παράγωγα μόρια που προκύπτουν από τη μεταφορά της υδροξυλομάδας τους.
Τι σημαίνουν όλα αυτά; Οτι ήρθε η ώρα να αλλάξει η θεωρία για τη λειτουργία της όσφρησης!
Πώς μυρίζουμε

Ολα ξεκινούν από το οσφρητικό επιθήλιο, μια μικρή περιοχή στην οροφή της ρινικής κοιλότητας με έκταση μόλις εννέα τετραγωνικών εκατοστών (3 εκ. x 3 εκ.). Σε αυτή τη μικρή έκταση εντοπίζονται πολλά εκατομμύρια οσφρητικών νευρώνων (περίπου 5 εκατ.). Στην πραγματικότητα, οι οσφρητικοί νευρώνες είναι τα μόνα κύτταρα του νευρικού συστήματος τα οποία είναι εκτεθειμένα στο εξωτερικό περιβάλλον (αν και εντοπίζονται μέσα στη ρινική κοιλότητα, έρχονται σε άμεση επαφή με το ερέθισμα, δηλαδή τα πτητικά μόρια τα οποία καλούνται να αναγνωρίσουν).

Οπως συμβαίνει και με άλλους αισθητικούς νευρώνες, παραδείγματος χάριν τα ραβδία και τα κωνία των ματιών μας, η αλληλεπίδραση με το ερέθισμα (φως στην περίπτωση των ματιών ή οσμή στην περίπτωση της μύτης) διεγείρει τους οσφρητικούς νευρώνες, που με τη σειρά τους μεταφέρουν τη διέγερση σε εξειδικευμένα κέντρα στον εγκέφαλο.

Με άλλα λόγια, τα αισθητήρια όργανά μας μας βοηθούν να αντιληφθούμε τι συμβαίνει γύρω μας σε δύο βήματα: το πρώτο αφορά την πρόσληψη του ερεθίσματος και το δεύτερο την αποστολή της πληροφορίας σχετικά με την ταυτότητα του ερεθίσματος στον εγκέφαλο. Περιττό να πούμε ότι για να είναι λειτουργικές οι αισθήσεις μας απαιτείται η ακεραιότητα και των δύο συστημάτων που εμπλέκονται. Ενας εγκεφαλικός τραυματισμός μπορεί να μας στερήσει την όσφρησή μας, παρά το γεγονός ότι το οσφρητικό επιθήλιο μπορεί να παραμένει λειτουργικότατο ή και αντίστροφα.

Οι επιστήμονες χρειάστηκαν πολλά χρόνια προκειμένου να αντιληφθούν πώς λειτουργεί η όσφρηση. Η διαλεύκανση (όχι πλήρης) του μυστηρίου ήρθε μόλις στα τέλη του 20ού και στις αρχές του 21ου αιώνα. Κυρίως χάρη στις εργασίες των Ρίτσαρντ Αξελ (Richard Axel) και Λίντα Μπακ (Linda B. Buck), οι οποίοι μάλιστα τιμήθηκαν με το βραβείο Νομπέλ Ιατρικής του 2004, γνωρίζουμε σήμερα ότι καθένας από τα εκατομμύρια των οσφρητικών νευρώνων του οσφρητικού επιθηλίου διαθέτει έναν και μόνο έναν τύπο οσφρητικού υποδοχέα.

Οι οσφρητικοί υποδοχείς είναι πολύ χαρακτηριστικές διαμεμβρανικές πρωτεΐνες: η διάταξή τους στον χώρο είναι ένα ζικ ζακ το οποίο διαπερνά τη μεμβράνη του οσφρητικού νευρώνα επτά φορές, ενώ η μία άκρη τους «βλέπει» στο εξωτερικό περιβάλλον και η άλλη στο εσωτερικό του κυττάρου. Είναι ακριβώς η εξωτερική άκρη αυτή που αλληλεπιδρά με το ερέθισμα, το πτητικό μόριο που φτάνει στα ρουθούνια μας. Από αυτή την αλληλεπίδραση προκύπτουν αλλαγές στη στερεοδιάταση του υποδοχέα που μεταφράζονται σε ηλεκτρικές ώσεις και μεταφέρονται στον εγκέφαλο.

Οπως περιέγραψαν οι Αξελ και Μπακ, στο ανθρώπινο γονιδίωμα υπάρχουν περί τα 1.000 γονίδια τα οποία κωδικοποιούν για τη σύνθεση των διαφορετικών οσφρητικών υποδοχέων. Επόμενες μελέτες ωστόσο κατέδειξαν ότι στην πλειονότητά τους τα γονίδια αυτά είναι ανενεργά: περί τα 400 παραμένουν ενεργά, ενώ τα υπόλοιπα θεωρούνται ψευδογονίδια.

Οπως εύκολα μπορεί να υποθέσει κανείς, τόσο τα ίδια τα γονίδια όσο και οι οσφρητικοί υποδοχείς που συντίθενται από τη μετάφραση της κωδικοποιημένης σε αυτά πληροφορίας μοιάζουν πολύ μεταξύ τους. Οι διαφορές τους εντοπίζονται στα σημεία αλληλεπίδρασης ερεθίσματος - υποδοχέα. Με άλλα λόγια, δεν αλληλεπιδρούν όλα τα πτητικά μόρια με όλους τους υποδοχείς. Αυτή η επιλεκτικότητα είναι εξάλλου η βάση της δυνατότητάς μας να ξεχωρίζουμε τη μυρωδιά του τριαντάφυλλου από αυτήν του γιασεμιού ή τη μυρωδιά του φαγητού από το καμένο φαγητό!

Συνοψίζοντας, η μύτη μας δουλεύει ως εξής: κάθε φορά που ένα πτητικό μόριο φτάσει στο οσφρητικό επιθήλιο, αναγνωρίζεται από τους οσφρητικούς νευρώνες που διαθέτουν τον κατάλληλο τύπο υποδοχέα. Ολοι αυτοί οι νευρώνες στέλνουν την πληροφορία σε συγκεκριμένο σημείο του οσφρητικού φλοιού του εγκεφάλου, όπου και αναγνωρίζεται ως ωραίο άρωμα, καπνός, μυρωδιά φρούτου ή φαγητού, επικίνδυνο χημικό...

Science