Краткая история искусственного распознавания запахов: от Античности до статей Белла

Наука об обонянии древняя, ей больше двух тысяч лет. Если оставить в стороне гипотезу Платона, согласно которой запахи «различаются только как болезненные и приятные, причем один из них раздражал и тревожил всю полость, расположенную между головой и пупком, а другой оказывал успокаивающее воздействие и приводил ту же область в приятное и естественное состояние», то по свой сути современную парадигму этой науки сформулировал Теофраст в III веке до н.э., писавший в своем трактате «О запахах», что в отличие от огня и воды «земля – это единственная элементарная субстанция, которая обладает запахом, или, по крайней мере, она обладает им в большей степени, чем другие, потому что имеет более сложный характер».

Если учесть, что во времена Теофраста «элементарные субстанции» уже два века как считались состоящими из атомов, отличными друг от друга по форме и размеру, которые  при соединении между собой, изменяют природу этого соединения, то именно это открыли в начале 1990-х годов Ричард Аксель и Линда Бак, показав, как элементарные субстанции – лиганды белковой природы, экспрессируемые генами обонятельных рецепторов, кодируют запахи, окончательно и строго научно подняв нижнюю границу органа обоняния Платона от пупка до нашей верхней губы, то бишь до носа. За что получили Нобелевскую премию.

Но самое интересное здесь в том, что к этому времени искусственный распознаватель запахов – электронный нос – уже был изобретен и сделан в начале 1980-х годов, то есть за десять лет до открытия Акселя и Бак. Пусть пока плохонький, реагирующий не на все запахи, но реагирующий и измеряющий не концентрацию вещества с тем или иным запахом, а на сам запах и чувствующий его силу, как наш с вами нос.

Тем не менее, 2300 лет срок немалый, и невольно возникает вопрос, чем же занимались ученые осмологи и одорологи в течение всего этого времени. Как следует из трудов нескольких поколений историков науки о запахах, после античного периода и до позднего Ренессанса – ничем. Потом, с XVI века и до начала XIX века занимались классификацией запахов. В этом поучаствовал даже Карл Линней, читая лекции своим студентам в университете Уппсалы о 7 разновидности запаха: ароматические, благоухающие, амброзийные (похожие на мускус), луковые (похожие на чеснок), гирциновые (похожие на козлиные), отталкивающие и тошнотворные. Потом он занялся более благодарным трудом – классификацией растений и животных и создал свою «Систему Природы», актуальную и поныне. Но и в осмологии его труд не пропал втуне, как выяснилось уже в наше время его «козлиный» запах, характерный для подмышечного пота людей европеоидной расы, это запах транс-3-метил-2-гексеновой кислоты, а ее повышенное содержание наблюдается в поте шизофреников. Иными словами, это запах шизофрении.

Апофеозом этого периода науки о запахах считается фундаментальный труд французского академика Ипполита Клоке «Osphraesiology: ou Traité des Odeurs» («Осфрезиолгия, или Трактат о запахах») 1821 года, где он упрекал своих предшественников в гедонистическом подходе к классификации запахов, приводя в пример запах спермы, который также ощущается в аромате барбариса и цветущих каштанов. А практическим результатом стала разработанная в 1927 году технологическая нумерация запахов, где, например, ванилин имел №7122, а уксусная кислота числилась как «запах №380». В продаже появились наборы стандартов запахов во флакончиках. 

Беда была лишь в том, что человеческий нос, на показаниях которого строилась наука о запахах, ощущал запахи далеко не всех веществ, в том числе таких смертельно опасных как угарный газ (СО) и метан (СН₄). Проблему с моноксидом углерода с незапамятных времен человек решал проветриванием помещения с печкой. Но с началом промышленной революции во второй половине XVIII века и промышленными масштабами добычи угля и прочих полезных ископаемых шахтным способом возникла необходимость в чем-то более чувствительном к взрывоопасным газам, чем шахтерские носы, и шахтеры, спускаясь под землю, брали с собой клетки с канарейками. Когда голосистые птички переставали петь и, более того, падали на дно клетки замертво, следовало гасить шахтерские лампы с открытым пламенем и как можно быстрее подниматься наверх, иначе, как показывал горький опыт, произойдет взрыв.

Парадокс такого «искусственного носа» шахтеров заключался в том, что канарейки скорее всего умирали от недостатка кислорода, температура тела у них в покое выше 40^o C, соответственно намного выше, чем у человека, уровень метаболизма и организму нужно больше кислорода. К слову сказать, ученые до сих пор не удосужились окончательно разобраться с тем, от чего именно погибали эти птички в шахтах и поставить канарейке памятник, как собаке Павлова. Но это дело совести ученых и владельцев предприятий горнодобывающей промышленности, а в данном случае было важно то, что канарейка и по чувствительности к качеству воздуха, и по громкости оповещения об этом, и по размерам (средний вес – 16 г) лучше других живых газоанализаторов подходила для данной цели. А то, что удельное содержание кислорода в шахте падало, как правило, из-за прорывов метана, было просто счастливым совпадением.

В принципе уже тогда можно было заменить канарейку на химический газоанализатор и создать «химический нос» на угарный газ и метан. Кислород был открыт химиками в 1774 году, а метан в чистом виде выделил из болотного газа физик Вольта в 1776 году.  Но в химии окисления тогда царила флогистонная парадигма, и подобные мысли просто не могли возникнуть. Только в 1815 году Хэмфри Дэви изобрел «химический нос», чувствительный к метану и угарному газу правда, как и у канарейки, реагирующий на их присутствие косвенным образом. 

Это была лампа Дэви. В присутствии метана язычок пламени в ней поднимался выше, а само пламя приобретало синеватый оттенок. А при снижении уровня кислорода в шахтном воздухе с 21% (норма) до 17% лампа гасла. При 17% кислорода еще можно было дышать, и шахтеры могли выйти наверх. Патента на свою лампу сэр Хэмфри Дэви не взял по принципиальным соображениям. Памятник ему с лампой в руке стоит с 1872 года.

Физика и химия заметно укрепились в науке о запахах во второй половине XIX века, когда стало ясно, что волновая энергия отвечает за зрение и слух, а химики заметили, что некоторые непахучие элементы начинают пахнуть не только в соединениях с пахучими, но и с другими тоже непахучими элементами. В результате, в середине прошлого века появились фото-ионизационные детекторы и инфракрасные газовые датчики. Но в начале века искусственный нос приобрел вид колометрической трубки, содержимое которой меняло цвет при контакте с арсином, фосфином, аммиаком и прочими вредными газами в шахтах, на промышленных предприятиях и на поле боя.

Но это были датчики запаха конкретных токсичных и горючих газов, а не искусственный орган обоняния в целом, и к тому же до появления полупроводников прогресс в этом направлении шел мучительно медленно. Настолько медленно, что в 1913 году Эллвуд Хендрик, химик по образованию, почетный доктор наук и управляющий фабрикой анилиновых красителей в Олбани, в своей статье «The Sense of Smell» («Обоняние») в «The Atlantic Monthly», респектабельном журнале для «думающей публики», пожаловался этой публике на ее недостаточное внимание к своему собственному носу. 

«Удивительно, насколько интимным является обоняние, как много оно нам говорит и как сильно влияет на сознание, с одной стороны, и как пренебрежительно мы относимся к нему, с другой, – писал он. – Это Золушка наших органов чувств. Был ли это какой-то святой отшельник или другой энтузиаст из персон влияния, кто счел использование человеческого носа опасным для души, мы не знаем, но так или иначе сознательное использование носа по назначению стало табу, и это вошло в обиход. Это перестало быть грехом, но по-прежнему считается неприличным».  

По сути, это был скрытый упрек «думающей публике», что она не уделяет должного внимания исследованиям ученых в данной области, и самим ученым физикам, химикам и нейрофизиологам, самоустранившимся от науки о запахах. Во всяком случае именно так воспринял публикацию Хендрика энтомолог из Вашингтонского университета доктор Макиндо, специалист по обонянию бабочек и молей, который в ответ Хенрику и тогда уже покойному Александру Беллу писал в 1927 году в журнале «The Scientific Monthly»: «Чтобы проиллюстрировать сравнительное внимание, уделяемое различным органам чувств, достаточно открыть Британскую энциклопедию. В последнем ее издании 1926 года более тридцати двух страниц посвящено звуку, семнадцать с половиной – свету, четыре – прикосновениям, и только полторы страницы – обонянию».  

И продолжал: «Несмотря на приведенные выше замечания о том, что у нас еще нет науки об обонянии, Джон Кеннет, шотландский профессор Эдинбургского университета, в своей книге «Осмология: наука обоняния» (1927) привел список из 500 ссылок на оригинальные статьи последних десятилетий, непосредственно касающиеся обоняния человека и животных… Возможно, когда-нибудь будет создан специальный институт осмологии, где можно было бы координировать исследования, по меньшей мере, физиологов, психологов, химиков, зоологов, ботаников, антропологов, патологоанатомов, ринологов, статистиков, а также эмбриологов, генетиков и палеонтологов». 

Подобного НИИ нет и поныне, а что касается того, что среди критиков науки об обонянии помимо известного только его коллегам по работе доктору Хендрика, вдруг появился известный всем изобретатель телефона Белл, то объяснение тут простое. Годом позже Хендрика Белл высказался в том духе, что ученые и изобретатели в области обоняния давно идут не в том направлении, в котором им следовало бы идти, чтобы создать науку о запахах, и сказал об этом прямо, без лирики про науку-золушку.

 «Вы когда-нибудь измеряли запах? Можете ли вы сказать, что один запах в два раза сильнее другого? Можете ли вы измерить разницу между двумя видами запахов и третьим? Совершенно очевидно, что существует огромное количество различных запахов – от аромата фиалок и роз до запаха асафетиды (пряность из млечного сока растения Ферула вонючая – Ред.). Но пока вы не научитесь измерять их сходство и различия, у вас не будет науки о запахах. Если вы стремитесь создать новую науку, измерьте запах», – заявил Белл.

Именно с этих его слов, сказанных в им в 1914 году, сегодня обычно начинают историю электронного носа. Жаль только, что при этом никто не уточняет, что изобретатель искусственных голосовых связок и барабанной перепонки Белл не имел ни малейшего намерения вмешиваться в дела ученых-осмологов и своих коллег инженеров-изобретателей, работавших над искусственными анализаторами обоняния. Сказал это Белл детям. Точнее, подросткам из выпускного класса частной квакерской Friends’ School в городке Бетесда в пяти милях от Вашингтона. Школа была непростая, в ней в те годы учился сын президента Теодора Рузвельта, а в наши времена дети Никсона, Клинтона, Обамы и внуки Байдена. Кого еще, как не сооснователя компании AT&T, которая благодаря изобретению Белла к 1914 году контролировала 80% рынка телефонной связи в Америке, могла пригласить дирекция такой школы, чтобы тот рассказал ее выпускникам как делаются открытия и изобретения, помогающие осуществить «американскую мечту».

Свой урок Белл под заголовком «Discovery and Invention» («Открытие и изобретение») опубликовал в том же 1914 году в июньском номере научно-популярного журнала «National Geographic Magazine» с тиражом на тот момент более 100 тысяч экземпляров, выбрав для нее тоже непрофессиональную аудиторию. Понятно, что опубликуй он это в научном или инженерном издании, его коллеги – ученые и изобретатели – сильно удивились бы. С чего вдруг он напоминает им о различии между индукцией и дедукцией в науке, это уже сделал Фрэнсис Бэкон в 1620 году, и все это прекрасно помнят. Разве что старик на пенсии от нечего делать прочел «Новый Органон» Бэкона и сам решил пофилософствовать.

И вообще, смысл его пассажа о науке о запахах можно понять, только прочитав всю его статью. Она оцифрована, свободно доступна в сети и представляет собой не такой уж длинный лонгрид (7 журнальных страниц двухколонником). Если же коротко, то начинает Белл с вопроса к своим юным слушателям: «Вы когда-нибудь, погрузившись с головой под воду, стучали друг о друга двумя камнями?» Он сам это делал, звук был громким, похожим на стук в дверь, и тогда первой мыслью у него было: если под водой можно услышать стук двух маленьких камешков друг о друга, то «каждый крошечный омар, щелкающий клешнями, должен издавать слышимый щелчок». Далее Белл вскользь говорит о «подводных колоколах», которыми с XIX века оснащались береговые маяки на случай густого тумана, и даже не упоминает о патентах на сонары, которые посыпались один за другим буквально через месяц после катастрофы с «Титаником», столкнувшимся в тумане с айсбергом в 1912 году. Он ведет своих слушателей к изобретению не классического сонара, а того, что потом назовут рыбопоисковым эхолотом.

«Я не знаю, все ли рыбы издают звуки, – говорил он. – Но у всех рыб есть уши. Зачем им уши, если им нечего слышать? Мы можем быть уверены – под волнами скрывается целый мир звуков, который только и ждет, чтобы его исследовали, возможно, некоторые из вас… Хотел бы я отправиться на берега Ньюфаундленда и порыбачить там с телефоном. Если бы вы вместе с наживкой отправили сообщение по нему треске, возможно, вы бы там что-нибудь услышали в ответ. Я сам уже едва ли попробую это сделать, оставляю это вам». 

Но началась Первая мировая войны, слушать пришлось подводные лодки, а не треску, а потом никто так и не вспомнил про заготовку изобретения, поданную Беллом всем желающим на блюдечке с голубой каемочкой. Эффективный рыбопоисковый эхолот изобрели инженеры из японской компании Furuno Electric Shokai, основанной в 1948 году городе Нагасаки, разбитом вдребезги тремя годами раньше американской атомной бомбой, которые в элитных американских школах не учились и статью Белла «National Geographic Magazine» вряд ли читали.  

Следующая история Белла касалась не только изобретений, но вытекающих из них новых фундаментальных наук. По рождению он был шотландцем, молодость провел в Канаде, бывшей тогда доминионом Британской империи. Став знаменитым и богатым, он получил американское гражданство, но вернулся в Канаду, где на берегу залива Святого Лаврентия построил себе имение в английском стиле с дворецким. «На днях у меня дома произошла любопытная история, – рассказывал школьникам Белл. Он попросил дворецкого принести ему бутылку кипятку, только при этом убедиться, что она полная. Тот принес большую бутылку с длинным и узким горлышком, наполненным до краев, и поставил ее на каминную полку. Когда вода остыла, Белл снова позвал его и указал ему на бутылку. Ее горлышко было почти пустым. Дворецкий поклялся, что не прикасался к бутылке, а потом выдвинул свою гипотезу: часть кипятка ушла в пар. «Я ничего не сказал, – писал Белл,  – но посмотрел на него и предложил: “Давай попробуем еще раз. Наполни бутылку горячей водой под завязку, а затем закупорь ее, чтобы не выходил пар”. Он так и сделал, и вскоре я снова позвонил в колокольчик. “Джон, – сказал я, – взгляни на нее сейчас, она опять не полная”». На этот счет гипотез у дворецкого не было, точнее он признал, что часть воды бесследно исчезла. 

Белл пожалел, что не попросил Джона взвесить воду до и после, тогда его дворецкий мог бы изобрести термометр. «Если бы Джон не сдался, – говорил Белл – он, возможно, постепенно пришел бы к пониманию принципа, на котором работает термометр. Всякий раз, когда вы можете измерить какое-либо явление, у вас есть основа, на которой может быть построена наука; на самом деле, вся наука зависит от измерений. Когда вы измеряете тепло, вы получаете науку о термодинамике, а также термотехнику или термо-что-то еще. Когда вы измеряете атмосферное давление с помощью барометра, вы закладываете основу для метеорологии и целого ряда наук, основанных на атмосферных измерениях. У вас есть науки, основанные на измерении звука и освещенности, но у вас нет науки об обонянии». И далее следует его цитата о науке о запахах, которую так любят историки электронного носа.

У нее, кстати, было продолжение, которое объясняет, с чего вдруг Белл вспомнил о запахах: «Что такое запах? Это излучение материальных частиц в воздухе или форма вибрации, подобная звуку? Если вы сможете принять такое решение, это может стать отправной точкой для нового исследования… Можете ли вы уловить запах или измерить скорость его распространения? Если вы сможете делать все это, вы значительно продвинетесь на пути к открытию новой науки. Это напоминает мне об открытии, которое началось с запаха». И далее рассказывает об открытии селена. 

«Есть очень редкое элементарное вещество, известное как теллур, и когда вы расплавляете его с помощью паяльной трубки, он выделяет запах. Мы не можем ни измерить, ни даже описать это, но если вы когда-нибудь почувствуете этот запах, то навсегда запомните его. Ни на небесах, ни на земле нет ничего, что пахло бы подобным образом…  Так вот, один выдающийся химик (Берцелиус в 1817 году – Ред.) решил, что у него есть шанс создать нечто ценное из отходов, образующихся при производстве серной кислоты. Часть полученного порошка он разогрел паяльной трубкой и сразу почувствовал характерный запах теллура…, но не смог обнаружить никаких других признаков присутствия теллура, кроме его запаха. “Если, – подумал он, – здесь нет теллура, то наверняка есть что-то, что имеет очень похожий запах… ” Он извлек из массы все материалы, которые, по его мнению, там были, чтобы посмотреть, не осталось ли чего-нибудь, и, конечно же, появился осадок, который, как он и предполагал, оказался новым элементарным веществом, доселе неизвестным человеку. Он назвал его селеном. Это было открытие, а сейчас пришли изобретения».

Словом, Берцелиус носом почуял запах открытия, пошел по следу и открыл химический элемент селен, а это, в свою очередь, позволило Беллу изобрести световой телефон – фотофон, где ключевым элементом была селеновая ячейка. О своем изобретении фотофона он и рассказал в заключении своего доклада школьникам и, соответственно, напомнил сотне тысяч читателей «National Geographic Magazine».  

Едва ли можно упрекнуть Белла за то, что наука о запахах понадобилась ему для плавного перехода к рассказу о своем собственном изобретении. Во-первых, он сам признался своим слушателям: «Когда меня пригласили поговорить с вами сегодня вечером, я понятия не имел, что сказать. Я обдумал все, что было бы полезно для вам в жизни, но давать советы молодым людям не в моих правилах, и мне показалось, что лучше выбрать какой-нибудь предмет, с которым я сам немного знаком. И решил, что то, как открытия и изобретения возникают из наблюдений за мелочами, несомненно является темой, заслуживающей вашего внимания. Я также подумал, что вам было бы интересно узнать, скольких, казалось бы, невозможных результатов на самом деле удалось достичь благодаря терпеливому умножению небольших наблюдений».

А во-вторых, насчет науки о запахах Белл все сказал правильно: будет инструмент их измерения, будет и новая наука о них. Инструмент – металлооксидные полупроводниковые (МОП) газовые датчики – появился лишь полвека спустя как результат «терпеливого умножения небольших наблюдений» десятков инженеров-изобретателей, в том числе из Bell Labs. 

В следующей статье я расскажу о том, как создавались первые электронные анализаторы запахов.