Понятие об обонянии. Основы распространения запахов.

В этой главе речь пойдёт о таких важных для работы с собакой — детектором запахов вещах, как запах и обоняние. Я постараюсь не утомлять читателя глубоким изложением научных основ, но совсем избежать знакомства с теорией вопроса нам не удастся. Сделаем так: текст, напечатанный курсивом, можете не читать, но обязательно прочтите следующие за ним выделенные жирным шрифтом выводы. Если же какой либо тезис выводов покажется непонятным или сомнительным, тогда деваться некуда — вникайте в курсив.

Итак, поговорим о запахах и обонянии. Мы все имеем эмпирическое представление о том, что такое обоняние благодаря тому простому факту, что сами обладаем этим замечательным чувством. 

Все его считали балбесом. Он ни бельмеса ни в чем не понимал. Даже за оскорбление считал что-то понимать, но мог потребовать со всей строгостью, привлечь, понимаешь, мог к ответственности.

((Александр Покровский. «Расстрелять…»))

 Однако обоняние собак во многом отличается от нашего, и не только высокой чувствительностью. Кроме того, свои, пусть хотя бы только эмпирические представления о природе запахов и их распространении, не говоря уже о полученных в школе познаниях, мы, почему-то, не спешим применять к работе собак-детекторов запахов. Весьма широко, и, к сожалению, даже среди профессионалов, распространено представление о нюхе собак, как о чём-то мистическом, сродни телепатии, не имеющем под собой естественнонаучной основы. Во всяком случае, закладку, закопанную (большим начальником!) ничтоже сумняшеся на два штыка в землю, непосредственно перед началом поиска, мне искать приходилось.

Ну что тут сказать? Представление о том, что кинологическая команда должна показывать фокусы встречается часто. Подчёркиваю, даже среди профессионалов. Пришлось, увы, и на европейском чемпионате встретиться с закладками в полностью герметичных (даже оснащённых резиновыми прокладками) полостях. Невежество, к сожалению, — это оборотная сторона узкой специализации, ставшей отличительной чертой нашего времени. Именно поэтому о запахах, их распространении и механизмах обоняния рассказать всё-таки придётся.

Обоняние является ведущим органом чувств собаки. В этом легко убедиться, наблюдая, с помощью прибора ночного видения, за поиском собаки в полной темноте. Очень поучительное зрелище. Невозможно поверить, что собака видит в темноте не намного лучше, чем мы, настолько уверенно она себя ведёт. Именно исключительное развитие обонятельного анализатора обуславливает применимость служебных собак в качестве детекторов запахов.

Природа анализа запахов с помощью обоняния до последнего времени была неизвестна. Существовало несколько гипотез, объясняющих восприятие запаха: теория химических контактов, теория физических контактов, волновая теория и т. д. В последнее время ситуация изменилась. Во всяком случае, именно за разработку этого направления Ричард Аксель и Линда Бак стали лауреатами Нобелевской премии 2004-го года в области физиологии и медицины.

Очевидно, предпосылкой анализа запахов является взаимодействие между молекулами пахнущего вещества и обонятельными рецепторами (возможно, с помощью медиаторов, — особого рода белков). В органах обоняния рецепторные клетки, свободные окончания тройничного нерва и органа Якобсона являются основными рецепторными структурами.

Рецепторные клетки веретенообразной формы расположены в обонятельной (вомероназальной) области носовой полости. От каждой клетки отходят два отростка. Один из них на поверхности эпителия заканчивается обонятельным пузырьком, покрытым 6-12 обонятельными ресничками, за счет которых площадь чувствительной поверхности, соприкасающейся с вдыхаемым воздухом, значительно увеличивается. Второй отросток сливается с такими же отростками других клеток в нерв, проходящий через решетчатую кость в обонятельную луковицу головного мозга.

Толщина обонятельного эпителия собаки 0,1 мм, а человека 0,006 мм; обонятельные луковицы собаки гораздо крупнее, что может свидетельствовать о высокой специализации обонятельного органа животного. Свободные окончания тройничного нерва и орган Якобсона также играют роль в обонянии, но природа их действия до сих пор не ясна (по крайней мере, мне об этом не известно). Принято считать, что тройничный нерв отвечает за поступление сигналов, относящихся к слабым запахам, тогда как функцией органа Якобсона является улавливание запахов нелетучих веществ. Однако, органы обоняния каждого животного специализированны для восприятия определённого спектра веществ, в зависимости от биологической целесообразности, и достаточно слабо воспринимают запахи веществ, находящихся за пределами этого спектра. Например, собаки очень чувствительны к запахам органических кислот (запахам животного происхождения) и сравнительно слабо воспринимают запахи растительного происхождения. Что же касается запахов «нелетучих веществ», то об этом можно говорить только с определённой долей условности, поскольку абсолютно все вещества обладают летучестью в той или иной степени.

Обонятельный процесс у млекопитающих включает в себя следующие стадии:

— попадание молекул пахучего вещества в обонятельный орган;

— процесс концентрации вещества на слизистой оболочке;

— взаимодействие между молекулами пахучего вещества и рецепторными клетками;

— передача электрического сигнала в мозг;

— обработка сигнала в нейронах.

Считается, что сила ощущаемого запаха зависит от числа контактов вдыхаемых пахучих частиц с нервными окончаниями и, соответственно, числа поступающих в мозг импульсов. То есть, чем больше молекул пахучего вещества будет донесено потоком вдыхаемого воздуха до рецепторов обонятельной зоны, расположенной в глубине верхних дыхательных путей собаки, тем более сильный запах она ощутит.

Характерно, что сравнительно небольшое число типов рецепторов (от 7 до 30 у млекопитающих) соответствует широкому ряду анализируемых запахов. Видимо каждый конкретный запах воспринимается сразу несколькими типами рецепторов и именно взаимодействие молекулы пахучего вещества с теми или иными типами рецепторов позволяет различать всё то богатство запахов, которое мы ощущаем (я не говорю уже о собаках).

Важнейшим свойством обонятельного анализатора собаки является способность к тонкому дифференцированию запахов. «Практика со всей определенностью подтверждает, что собака в состоянии воспринимать и одновременно дифференцировать множество запахов. Это позволяет утверждать, что обоняние у нее «аналитическое», и в этом смысле оно, очевидно, больше всего отличается от человеческого. Особенно важно, что собака способна дифференцировать многие одновременно несущиеся запахи.» (Еран Бергман. Поведение собак). При этом количество обонятельных клеток у собаки составляет 125 млн.

Пахучие вещества могут взаимодействовать с рецепторами как в газообразном состоянии, то есть в виде отдельных молекул, так и в виде кластеров, или в виде молекул, сорбированых поверхностью аэрозольных частиц. При спокойном дыхании только малая толика вдыхаемого воздуха (а вместе с ним и молекул пахучих веществ) достигает обонятельной области. В результате принюхивания (интенсивного втягивания воздуха) образуются вихревые воздушные потоки, достигающие тех областей верхних дыхательных путей, где расположены обонятельные области. Экспериментально показано, что чувствительность обонятельных клеток при влажности воздуха 60% и температуре +20° С максимальна. Обычно чувствительность нюха собаки иллюстрируют тем, действительно поражающим воображение, фактом, что собака ощущает присутствие одной молекулы вещества в 1л. воздуха. Однако такую сверхвысокую чувствительность собаки проявляют, как уже было сказано, по отношению к молекулам жирных кислот, входящих в состав мочи и пота млекопитающих. По отношению к другим классам веществ цифры не столь шокирующие. Впрочем, «настроить» нюх собаки на определённый запах вполне реально. «Упражнением достигается»…

Эффективность обоняния зависит от концентрации пахучего вещества, скорости протекания его с воздухом над обонятельной поверхностью, а следовательно, длительности контакта с этой поверхностью, избирательной активности нервной системы по отношению к конкретному запаху.

Основными физическими механизмами распространения запахов являются диффузия и конвекция. Какой из этих механизмов в каждом конкретном случае определяет состояние воздушной среды, и тем самым играет ведущую роль в распространении запаха от его источника до носа собаки? Для ответа на этот вопрос нам необходимо вспомнить, что собой представляют вышеназванные явления.

Да, Витус, народ науку уважает, хотя и знать не знает, куда она его ведет.

((Виктор Конецкий))

Конвекция (по латыни — «перемешивание») состоит во взаимном перемещении, перемешивании макрообъемов воздуха. Различают конвекцию естественную и вынужденную. Естественная конвекция — это подъём, «всплывание» нагретых воздушных масс. Пример — дым костра. Вынужденная конвекция — это движение воздушных масс под действием внешних сил отличных от выталкивающей силы. Например, ветер, сквозняки, потоки воздуха от вентиляторов.

Диффузией, в свою очередь, называется, обусловленный хаотическим тепловым движением молекул, процесс постепенного взаимного проникновения двух веществ, граничащих друг с другом.

Из этого можно сделать вывод, что в большинстве случаев запах переносится от источника до носа собаки воздушными массами, движущимися под действием конвекции и только в отдельных специфических случаях, когда речь идёт о проникновении запаха через пористые, зернистые или волокнистые среды, ведущим механизмом переноса запаха является диффузия. Количественно процесс диффузии описывается формулой:

где m — масса молекул первого вещества в объеме второго, расположенном на расстоянии l от первого, прошедшая через границу раздела сред сечением S за время t;

D — коэффициент диффузии;

с₁ и с₂ — концентрация пахучего вещества в первой и второй средах соответственно.

Если речь идет о пахучем конденсированном веществе (твердом или жидком), то концентрация с₁ пропорциональна давлению насыщающего пара этого вещества, т. е. пара, находящегося в состоянии динамического равновесия со своей конденсированной фазой. Давление насыщающего пара в свою очередь зависит от его химического состава и температуры. Для интересующих нас случаев расстояние l довольно значительно и с₂ в виду ее малости можно приравнять 0.

Следовательно, можно сделать выводы (довольно, впрочем, очевидные), что, если распространение запаха определяется диффузией, то сила запаха обратно пропорциональна расстоянию между носом собаки и источником запаха, а также, что чем больше отверстие (отверстия) в ёмкости, заключающей источник запаха, тем сильней запах. Также очевидно, что сила запаха увеличивается с возрастанием температуры источника запаха, а легко испаряющиеся (летучие) вещества пахнут сильнее, чем вещества, испаряющиеся слабо (нелетучие). Из закона Фика следует, что интенсивность распространения запаха путем диффузии пропорциональна коэффициенту диффузии D.

D = ¹/₃· u · ?, где u — средняя скорость теплового движения молекулы;

? — средняя длина ее свободного пробега.

т. е. средняя скорость молекулы (или частицы пыли) обратно пропорциональна корню квадратному из молекулярной массы пахучего вещества или массы пылинки пахучего вещества.

Например, для кислорода (m=32/6·1023), u=4,8·102 м/с ? 500 м/с; для водорода (он в 16 раз легче и, значит, его молекула в 4 раза быстрее) u=2 км/с. Для пылинки размером в 1мкм (при плотности = 1) u = 0,5 см/с.

Исследование зависимости коэффициента диффузии от температуры показывает, что с увеличением температуры он возрастает как Т² (квадрат абсолютной температуры). То есть интенсивность запаха вещества, находящегося в помещении с неподвижным воздухом, закопанного под землю, завернутого в ткань и т. д. пропорциональна (t ?C+273)², где t ?C — температура окружающей среды по шкале Цельсия. Следовательно, сила запаха зависит не только от температуры пахучего вещества, но и от температуры окружающей среды (они не всегда совпадают). Интенсивность запаха при 20°С, например, будет приблизительно на 20% больше, чем при 0°С. Интенсивность запаха вещества при сокрытии его на теле усиливается от воздействия температуры тела. Некоторым из нас, профессиональных кинологов, об этом полезно помнить.

Коэффициент диффузии численно равен коэффициенту температуропроводности, поэтому, чем теплее одежда, тем медленнее распространяется через нее запах. Можно воспользоваться аналогией. В процессе сертификации температуропроводность одеял проверяют следующим способом: металлическую пластинку нагревают до 52?С (при t окружающей среды 20?С) и ждут, когда она охладится на 5?С. Для тонкого одеяла это время составляет 7 минут, для толстого › 25 минут. Следовательно, за время того же порядка запах источника запаха, накрытого одеялом, проникнет через одеяло. Таким образом, мы должны понимать, что для распространения запаха путём диффузии требуется значительное время. Иными словами, запах сквозь пористые среды не распространяется моментально (запах от источника, например, закопанного в землю, достигнет поверхности земли, а следовательно будет иметь шанс вступить в контакт с носом собаки только через некоторое время после того, как источник был закопан).

Когда речь идет об испарении, обычно подразумевается испарение жидкостей. Но твердые тела также испаряются. Испарение твердого тела называется возгонкой или сублимацией. Хорошо испаряющимся твердым телом является, например, нафталин. Нафталин плавится при 80?С и интенсивно испаряется уже при комнатной температуре. Именно это свойство и определяет его использование для уничтожения моли.

Всякое сильно пахнущее твердое вещество возгоняется в значительной степени — это становится понятно, если мы вспомним, что запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Однако, наиболее часты случаи, когда вещество возгоняется столь слабо, что его пары не могут быть обнаружены с помощью самых чувствительных приборов. В принципе, любое, в том числе твердое вещество: металл, стекло, камень и так далее, испаряется. Это можно проиллюстрировать следующим примером: когда хозяйки вывешивают в морозный день мокрое белье на просушку, вода вначале замерзает, а затем лед испаряется и белье высыхает. Если мы органолептически не обнаруживаем возгонки (не ощущаем запаха) того или иного вещества, то это значит лишь, что плотность насыщающего пара этого вещества очень незначительна. Мы уже отмечали, что плотность насыщающего пара зависит от температуры источника запаха. Действительно, можно на практике убедиться, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при температуре более низкой.

Скорость и характер распространения запаха зависит от состояния атмосферы. Обычно температура воздуха снижается с увеличением высоты над уровнем земли. В норме изменение температуры воздуха по вертикали постоянно и приблизительно равно 1?С/100 м. При этом некоторый нагретый объем сухого воздуха, всплывающий под действием естественной конвекции, поднявшись на 100 м, охладится на 1?С вследствие расширения, связанного с уменьшением давления окружающей среды. Следовательно, разница между его температурой и температурой окружающей среды останется постоянной. В этом случае установится стационарный конвективный режим, то есть возникнет устойчивый восходящий поток воздуха. Величина 1?С/100 м называется адиабатическим температурным градиентом сухого воздуха. Когда температурный градиент окружающей среды выше адиабатического, атмосфера неустойчива, когда он ниже адиабатического — устойчива. Т. е. в первом случае любое возмущение в атмосфере будет, развиваясь, усиливаться, а во втором случае — угасать.

Иногда в атмосфере возникает температурная инверсия, т. е. до определенной высоты температура окружающего воздуха не уменьшается, а растет. Инверсия прижимает запахи к земле не давая им диссипироваться (рассасываться) в атмосфере. Этим объясняется исключительно эффективная работа собак в некоторые дни (особенно с утра).

Рассмотрим некоторые простейшие случаи распространения запахов (так называемый «конус запаха»):

— При слабом ветре и неустойчивой атмосфере образуется завихренная струя запаха. Для нее характерна большая размытость. Благодаря активному перемешиванию воздушных масс в неустойчивой атмосфере запах быстро рассеивается. Расстояние, на котором собака причуивает запах сравнительно невелико.

— При скорости ветра свыше 8 м/с и нейтральной атмосфере струя запаха принимает конусообразную форму (отсюда и выражение «конус запаха»). Запах распространяется по конусу, причем имеет место лишь незначительное перемещение оси струи в горизонтальном и вертикальном направлениях. Собака причуивает запах на значительном расстоянии.

Заметьте, что собака может почуять запах только в том случае, если её нос находится внутри «конуса запаха». За пределами этого конуса молекулы РВ отсутствуют. Т. е. собака может пройти непосредственно под источником запаха и не учуять его, и, в то же время, «схватить» запах на значительном расстоянии, там, где «конус запаха» расширяется до уровня её носа.

— При очень слабом ветре и устойчивой атмосфере наблюдается веерная струя. Запах остается в очень тонком слое, постепенно рассеиваясь в поперечном направлении, по мере того как ветер относит его от источника и он приобретает форму веера.

Условия для появления веерной струи наиболее часто создаются ночью и ранним утром, когда в результате радиационного охлаждения земли возле самой ее поверхности возникают температурные инверсии. В очень устойчивых условиях инверсионного слоя запах не рассеивается ни вверх, ни вниз. Для работы собак-детекторов запахов такие условия особенно благоприятны. После того, как взойдет солнце, и земля прогреется, инверсия исчезает. Метеорологи говорят, что солнце «выжигает» инверсию.

Если в зоне распространения запаха расположено препятствие, за ним может образоваться застойная зона. В этой зоне возникает стационарный вихрь со значительным временем жизни. В застойной зоне происходит аккумулирование запаха. Именно в этой зоне (за стволами деревьев, и другими препятствиями) собака чаще всего «схватывает» запах.

Если скорость движения воздуха значительна, в зоне за препятствием может происходить отрыв вихря.

Вихрь представляет собой устойчивое образование и может переносить запах, практически без уменьшения его концентрации, на значительное расстояние. Однако дискретность (прерывистость) вихрей не позволяет собаке определить направление, в котором находится источник запаха.

Ещё один важный «метеорологический» фактор. Все мы знаем, что атмосферное давление практически постоянно изменяется: с приходом циклонов — падает, с приходом антициклонов — растёт. «В быту» эти перемены могут повлиять разве что на наше самочувствие. Однако в случае, если собака обыскивает полые объекты на предмет обнаружения в них РВ, и воздухообмен этих объектов (например, чемоданов) с окружающей средой ограничен малыми размерами отверстий и щелей, фактор падения или роста атмосферного давления может стать решающим. 

«Так ведь скотный двор — он и есть скотный двор, — наставлял я блудного сына. — Или в Голландии скотных дворов не бывает?» — «Да вонито нет, Николаша», — говорил он.

((Б. Окуджава. Свидание с Бонапартом))

 На кинологическом центре, где я когда-то работал, сточная система в вольерном комплексе была почему то смонтирована без обычных в таких случаях водяных затворов. Естественно, что с приходом атмосферных фронтов, сопутствующих наступлению циклонов, весь кинологический центр оказывался окутанным ужасающими миазмами. То есть, не обратить внимания на падение атмосферного давления, даже при большом желании, было невозможно. Не прошло и года, как я заметил бросающееся в глаза совпадение, — как только срабатывал наш «ароматический барометр», собаки показывали особенно удачную работу на чемоданах. И наоборот, когда давление резко повышалось, собаки показывали на чемоданах необычно низкие результаты.

Итак, когда давление падает, внутренняя среда полого объекта расширяется и несущий молекулы запаха воздух выделяется из объекта. При увеличении атмосферного давления, наоборот, внешний воздух втекает во внутренний объём объекта, препятствуя распространению запаха.