Umysł we władzy ulotnych cząsteczek. Czyli o mechanizmie węchu człowieka

Choć zupełnie obca jest mi przyjemność płynąca z palenia pa­pierosów, a tym bardziej fajki, jednak zapach czerwonej amfo­ry – jedynego dobrego gatunku tytoniu dostępnego w czasach PRL-u – palonego namiętnie przez mojego nieżyjącego Ojca, jest jednym z moich ulubionych. Przypadkowo napotkany natych­miast przenosi mnie w czasie i sprawia, że przypominam sobie Taty głos i postać. Podobne doświadczenia mamy chyba wszyscy. A to zapach mokrego lasu o poranku nagle kojarzy nam się z obo­zem harcerskim, a to pachnąca cynamonem szarlotka przywołuje postać ukochanej babci. Pamiętamy bezbłędnie przez lata zapachy mieszkań, klatek schodowych, kościołów, sal sportowych i szpita­li, które były tłem dla naszych intensywnych przeżyć.

Zjawisko wywoływania autobiograficznych wspomnień przez bodźce zapachowe nazywane jest „efektem Prousta”, od fragmentu z pierwszego tomu literackiego arcydzieła modernizmu W poszu­kiwaniu straconego czasu, w którym obraz rodzinnego Combray powraca do bohatera wraz z zapachem rozmoczonego w herbacie ciasteczka – słynnej magdalenki. Zjawisko to jest przedmiotem badań z pogranicza psychologii i neurobiologii, ale powszechne doświadczenie, które udało się celnie uchwycić genialnemu pisa­rzowi przed wiekiem, nie tak łatwo do dziś wytłumaczyć, wyposa­żonym w nowoczesne narzędzia badawcze, uczonym.

Zmysł pierwotny i tajemniczy

Jeden z twórców nowoczesnej neurologii, odkrywca ośrodka mowy w korze mózgowej, wybitny francuski dziewiętnastowieczny le­karz, chirurg i patolog Paul Broca zlokalizował również w mózgu miejsce odpowiadające za przetwarzanie informacji o zapachach. Opisawszy opuszkę węchową, centrum przekaźnikowe informacji pochodzących z nabłonka nosa u ssaków, i zauważywszy, że jest ona u ludzi proporcjonalnie mniejsza niż u innych gatunków, na przykład u gryzoni, zinterpretował tę informację w kontekście toczącej się wówczas we Francji wojny światopoglądowej. Tak się złożyło, że laboratorium i towarzystwo antropologiczne, którymi kierował, stały się wówczas ważnym miejscem na mapie sporów między sekularyzującymi się uniwersytetami, świecką nauką, du­chem pozytywizmu a francuskim Kościołem katolickim i związaną z katolicyzmem postawą doceniającą intuicyjne i pozazmy­słowe aspekty procesu poznania. Stając w tym sporze po stronie naukowego poznania i wizji człowieka jako produktu biologicz­nej ewolucji, Broca (wielki zwolennik i propagator teorii Darwi­na) uznał, że obszary odpowiadające za poznanie węchowe zostały u ludzi zmarginalizowane i zastąpione przez ośrodki decydujące o „wolnej woli”. Dzięki niepodważalnej roli francuskiego uczo­nego w rozwoju neurobiologii jego pogląd o Homo sapiens jako o gatunku należącym do grupy anosmatic („bezwęchowców”; ga­tunków, w życiu których węch nie odgrywa większej roli) zagościł w podręcznikach na długie lata. Dziś jednak twierdzenie to uwa­żane jest za naukowy mit.

Dopiero XXI wiek przyniósł krytyczną refleksję lekarzy i psycho­logów nad wpływem węchu na ludzkie życie inspirowaną coraz lepszym zrozumieniem mechanizmów percepcji zapachów. Od przyznania w roku 2004 Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny za badania układu węchowego dwojgu amerykańskim naukowcom: Lindzie B. Buck i Richardowi Axelowi badania nad ludzkim zmy­słem powonienia trafiały kilkukrotnie na pierwsze strony gazet. W roku 2014 zespół ze szpitala klinicznego we Wrocławiu upu­blicznił – wstępne, ale optymistyczne – wyniki badań klinicznych nad regeneracją uszkodzonego rdzenia kręgowego przez glejowe komórki węchowe, które zachowują potencjał komórek macie­rzystych i są zdolne u dorosłych ludzi do wytwarzania nowych neuronów. Osiągnięcie to daje nadzieję tysiącom niepełnospraw­nych, sparaliżowanych w wyniku przerwania rdzenia kręgowego na przeszczep własnych komórek z nabłonka węchowego do miej­sca uszkodzenia i skuteczną rehabilitację.

W ostatnim roku zakażenia wywołane przez nowego koronawi­rusa, SARS-CoV-2, także zwróciły uwagę lekarzy na zmysł po­wonienia. Ponieważ utrata węchu i smaku (wyróżniający objaw nowej choroby zwanej COVID-19), towarzyszący jej brak apety­tu oraz specyficzne problemy neurologiczne (ból głowy i spląta­nie) są związane z atakiem wirusa na nabłonek węchowy, a drogi przekazywania informacji z nosa do mózgu okazały się najbardziej prawdopodobnymi wrotami, którymi wirus przenika do central­nego układu nerwowego. Utrata umiejętności rozpoznawania za­pachów towarzyszy również związanym z wiekiem chorobom neurodegeneracyjnym, takim jak choroba Parkinsona i Alzheimera, wyprzedzając często o wiele lat pojawienie się innych objawów. Niektórzy autorzy sugerują, że uszkodzenia nabłonka węchowego przez toksyny, smog i infekcje wirusowe mogą być praprzyczyną tych chorób, o których etiologii wiemy jeszcze niewiele i których leczenie pozostaje mało skuteczne i głównie objawowe.

Wciąż jednak węch wydaje się zmysłem najsłabiej ze wszystkich rozpoznanym przez naukę. Jest też najbardziej pierwotnym, tajem­niczym i subtelnym ze sposobów poznawania zewnętrznego świa­ta. O ile skonstruowanie doskonałego sztucznego oka (czyli kame­ry) oraz sztucznego ucha (czyli mikrofonu) od dawna nie stanowi wyzwania dla techniki, o tyle inżynierowie wciąż walczą z proble­mem skonstruowania „sztucznego nosa”, który byłby przydatny i porównywalny pod względem sprawności z ludzkim zmysłem po­wonienia. Sztuczna inteligencja bez problemu rozpozna mowę, ale z rozróżnieniem zapachu fiołka od zapachu róży wciąż radzi sobie nie najlepiej. Zapach stwarza też problemy z punktu widzenia fi­lozofii poznania – bo czy to, co poznajemy dzięki powonieniu, owe „przedmioty”, to coś rzeczywiście istniejącego w otaczającym nas świecie. Jak je analizować w oderwaniu od naszego aparatu poznaw­czego, jeśli rozpoznanie zapachów jest dalece sprzężone z emocja­mi, przeszłymi doświadczeniami i stanem fizjologicznym, a przez to tak bardzo zindywidualizowane i subiektywne?

Neurony i odoranty

Pierwszym etapem na drodze powstawania wrażenia zapachu są bezpośrednie kontakty niektórych lotnych cząsteczek chemicz­nych (tzw. odorantów) z nabłonkiem węchowym. Nabłonek ten to powierzchnia wyściełająca tylną część jamy nosowej w jej naj­odleglejszej, schowanej we wnętrzu nosa części. Takie położenie nabłonka węchowego sprawia, że dostają się tam też cząstecz­ki pochodzące ze spożywanych pokarmów – także rozpoznawa­nie walorów jedzenia to zasługa nie tylko sprawnego smaku, ale i powonienia. Nabłonek węchowy to wielowarstwowy twór o po­wierzchni około dwu centymetrów kwadratowych, złożony ze ści­śle przylegających do siebie komórek nabłonkowych pokrytych warstwą śluzu. Odróżnia go od innych śluzówek liczna obecność węchowych neuronów receptorowych. Jest to jedyny rodzaj neuronów, które kontaktują się bezpośrednio ze światem zewnętrz­nym i są tym samym narażone na niszczący wpływ środowiska. Neurony te odnawiają się co kilkadziesiąt dni dzięki podziałom leżących poniżej komórek bazalnych.

Neuron zapachowy wygląda jak polip, który w kierunku śluzem pokrytej powierzchni wyciąga kilkadziesiąt swych ruchomych ramion. Odoranty – molekuły o bardzo różnym kształcie i bu­dowie chemicznej – rozpuszczają się w warstwie śluzu (jeśli nie są rozpuszczalne w wodzie, łączą się ze specjalnymi nośnikowy­mi białkami) i osiadają na powierzchni niektórych wybranych neuronów. Każdy polipowaty neuron ma na powierzchni błony komórkowej swoich wypustek (dendrytów) wbudowany bardzo wybiórczo działający lep – receptor dla konkretnej cząsteczki che­micznej. Neuronów jest w nabłonku węchowym kilkanaście mi­lionów, a typów białek będących receptorami kilkaset. Przy czym na powierzchni dendrytów jednego neuronu znajdziemy zawsze tylko jeden typ receptora. Ocenia się, że aż około 2 proc. ludzkich genów ma za zadanie kodować białka receptorów węchowych. Dużo różnych cząsteczek chemicznych ma wyczuwalny zapach, ale możliwość przewidzenia wrażenia, jakie wywołają na podstawie ich budowy, jest bardzo mała (choć niewątpliwie pracują nad tym chemicy zatrudnieni przez przemysł perfumeryjny). Przy czym cząsteczki o bardzo podobnej budowie chemicznej (na przykład stereoizomery – podobne do siebie tak jak lewa ręka do prawej) mogą czasami wywoływać kompletnie inne wrażenia zapachowe. Dzieje się tak, ponieważ jedna cząsteczka odoranta może mieć powinowactwo do kilku receptorów. Prawa kombinatoryki spra­wiają, że mając kilkaset różnych receptorów, możemy rozróżnić milion różnych zapachów.

Aparat molekularny komórki zamienia fizyczny kontakt między cząsteczką chemiczną a „jej” receptorem osadzonym w błonie ko­mórkowej neuronu węchowego w impuls elektryczny przewodzo­ny dalej wzdłuż jedynej wychodzącej od ciała komórki długiej wy­pustki – aksonu. Sprawę komplikuje fakt, iż inaczej odczuwamy różne zapachy w zależności od ich stężenia (wiąże się to ze zróżni­cowaną czułością receptorów, z których niektóre nie są pobudza­ne, gdy stężenie cząsteczki jest zbyt niskie). Tą samą substancję możemy odczuwać inaczej w zależności od wieku, płci i stanu zdro­wia (wystarczy przytoczyć wyjątkową wrażliwość kobiet w ciąży na zapachy i wzajemne rozpoznawanie się dzięki powonieniu no­worodka i jego matki, dla której nic nie pachnie tak pięknie jak dziecko), a mechanizm tego zjawiska wykracza poza różnorodność i stopień ekspresji receptorów węchowych na neuronach i zwią­zany jest z funkcjonowaniem mózgu.

Aksony neuronów receptorowych poprzez kość sitową w postaci wiązki nazywanej nerwem węchowym dostają się wprost do mó­zgu – a właściwie do odkrytego przez Broca obszaru tzw. opuszki węchowej. Tam aksony komórek posiadające ten sam receptor tra­fiają w jedno wspólne miejsce (nazywane kłębuszkiem) – tworzy się swoista mapa kodująca wiadomości o otaczających nas lotnych substancjach. W tym miejscu, poprzez połączenie zwane synapsą, aksony neuronów węchowych kontaktują się z kolejnymi neuro­nami. Ich aksony, z kolei, opuszczając opuszkę nerwową, kierują się w wiele miejsc ważnych dla funkcjonowania mózgu – do ob­szarów bardziej pierwotnych odpowiadających za popędy, emocje i pamięć, jak kora gruszkowata, hipokamp czy ciało migdałowate. Później pobudzenie przekazywane jest dalej, do kory mózgowej – a w szczególności do kory oczodołowo-czołowej i tzw. wyspy – są to miejsca zaangażowane w takie skomplikowane funkcje naszej psychiki, jak uczucia wyższe, podejmowanie decyzji i empatia. Dzięki wielopiętrowemu systemowi analizy i syntezy informacji węchowej rozpoznajemy, wartościujemy i pamiętamy zapachy oraz łatwo kojarzymy je z przeszłymi wydarzeniami i towarzyszą­cymi im emocjami.

***

W katolickiej tradycji „zapach świętości” to inny rodzaj nadprzy­rodzonej aury charakteryzującej świętych jako naśladowców Chry­stusa, wykraczający poza wizualną percepcję odpowiednik świetl­nej aureoli czy nimbu. Można się zastanawiać, czy jeśli zapach róż towarzyszył za życia i po śmierci św. Teresie z Avili i św. Teresie z Lisieux, a fiołków św. Ojcu Pio, to czym on właściwie był? W ob­szarze popkultury na to pytanie próbuje subtelnie odpowiedź Jan Jakub Kolski w swoim oryginalnym filmie Jasminum.

Biologiczna wiedza na temat percepcji zapachów nie ułatwi nam pewnie poznania istoty osmogenezy. Pytanie, czy charyzmat Ojca Pio i innych świętych mógłby mieć wpływ nie tylko na otaczają­cych go ludzi, ale też być zarejestrowany przez doskonały elektro­niczny nos – gdy będziemy w stanie już go skonstruować – może się wydać niektórym całkiem niewłaściwie postawione. Na pewno jednak świadomość, jak zaawansowanymi narzędziami posługuje się organizm człowieka, aby analizować pojawiające się w otacza­jącym nas powietrzu cząsteczki chemiczne i reagować na zmiany ich stężenia, zbliża do zrozumienia relacji między naszą cielesno­ścią a duchowością.

Małgorzata Pierzchalska – biolog molekularny, absolwentka Uniwersyte­tu Jagiellońskiego, profesor Uniwersytetu Rol­niczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie. Naukowo pracuje nad zastosowaniem trójwy­miarowych modeli komórkowych w badaniach fizjologii ludzkich nabłonków – oddechowego i jelitowego.