蜜蜂可以区分气味分子和相应氘取代分子

学过高中化学的人都知道同位素的化学性质相同，物理性质不同，分辨一种分子及其氘代物不是一件容易的事情。但有些动物却可以通过嗅觉分辨氘代物，例如蜜蜂。

最近意大利的科学家解开了这个谜团：蜜蜂可以区分气味分子和相应氘取代分子，因为这两种分子的振动会引发不同的神经系统反应（M Paoli et al, Sci. Rep., 2016, 6, 21893 (DOI: 10.1038/srep21893)）。

这项发现又为科学家长期争论的嗅觉机制问题增添了新料。意大利特兰托大学（University of Trento）Albrecht Haase教授领导的这支团队的最新成果为颇具争议的振动嗅觉理论提供了支持：气味分子结合到嗅觉受体蛋白上产生不同的振动，引发了不同的神经信号，于是产生了嗅觉。而经典的嗅觉理论认为，不同物质的气味不同是由于气味分子的形状不同，结合的嗅觉受体也就不同，就像锁与钥匙一样。

早期的研究表明蜜蜂、果蝇甚至人类都可以靠气味分辨同位素（M I Francoet al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2011, 108, 3797 (DOI: 10.1073/pnas.1012293108)）。但这些研究只着眼于现象，并没有给出合理的解释。

Haase和他的同事则将蜜蜂至于不同的同位素气味分子中，直接窥视蜜蜂的大脑。团队里的神经科学家Marco Paoli找到了蜜蜂所有行动显型的上游通道，这样就能排除其他实验因素对蜜蜂行动或认知上的影响。

当蜜蜂闻气味时，气味分子结合到嗅觉神经一端的嗅觉受体上，并将信号传递到大脑的触角叶区域。触角叶包含称为小球的神经元末梢簇，每一种气味分子都会引发不同的激活模式，也就是所谓的 “气味指纹”。

特兰托团队利用一种叫做功能钙成像的技术观察不同气味分子的激活模式。神经元的激活会使小球中钙离子浓度升高。研究人员用激光激发对钙离子灵敏的荧光染料，在显微镜下观察发射光。

颜色不同反映了小球不同的激活模式，图中可以清楚地看到气味分子及对应氘代物对小球的刺激是不同，如OCT-h的红色块明显多于OCT-d17

他们发现，四种常见的蜜蜂气味分子：辛醇、苯甲醛、乙酰苯和醋酸异戊酯以及它们的氘原子取代物能在蜜蜂的大脑中引发不同的激活模式，差异显著而一致。他们用气相色谱仪仔细检查并排除了所有可能的干扰物。

Paoli对这样的现象感到非常惊讶，他原本以为同位素气味分子引起的神经学上的差异会非常微弱，难以观察到。恰恰相反，实验证明这种差异很明显，而且在不同蜜蜂个体上非常一致。

支持嗅觉振动理论

简单的气味分子锁和钥匙模型很难解释这样的现象，因为含氘与不含氘的分子形状是一模一样的。不过由于氘的质量是氢的两倍，两者C-H键的弯曲振动频率则相差很大，这在红外光谱上可以很清晰地看到。

不仅如此，光谱上差异越大，引起的小球激活差异就越显著。这样的结果强有力地证明了气味分子振动模型。这与所有已知的生物感应机制都有本质区别，因为它相当于承认了气味分子在受体结合位上发生了电子的量子隧穿（L Turin, Chem. Senses, 1996, 21, 773 (DOI: 10.1093/chemse/21.6.773)）（量子生物学吗？OMG）

有人表示不服

就这么解决了？想得美！阿肯色大学（University of Arizona）的神经科学家Wulfila Gronenberg在不久前也发表了蜜蜂的相似行为，他评价Haase团队的工作质量很高，展示的神经响应差异也真实可靠。但并不能就此肯定振动假说。

他认为：“含氘化合物与相应含氢化合物间的物理化学差异远大于人们原本以为的那样，虽然我个人觉得红外振动光谱确实可能跟气味分子-受体反应有关，但氘原子可不仅仅改变振动光谱。”

文章作者Paoli很虚心地接受了质疑：“我们这篇文章确实无法给气味分子的振动理论做盖棺定论。”嗅觉机制相当复杂，气味分子的现状可能仍然有着重要的作用。不过他也鼓励自己：“我们至少成功地迈出了第一步，将问题从模糊不清的现象推进到神经末梢的响应。”

上海交大的庄寒异教授去年参与的一项实验研究就给气味分子振动理论唱了反调（E Block et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112, E2766 (DOI: 10.1073/pnas.1503054112) ）。为了检验嗅觉振动理论，研究人员准备了含或不含同位素标记的多种气味，比较了人和小鼠对这些气味的应答，但研究人员发现应答并没有出现相应的改变。

同位素标记的环十五酮与麝香酮对人类嗅觉的影响很小

之前有研究表明，人类可以区分麝香味化合物（环十五酮）中的氢/氘同位素，为嗅觉的振动理论提供了支持。但这项研究显示，人类麝香识别受体OR5AN1（强烈应答环十五酮和麝香酮），在体外并不能区分这些化合物上标记的同位素。

除此之外，研究人员还测试了小鼠的（甲硫基）甲硫醇识别受体MOR244-3和其他一些OR。他们发现，这些OR对不同同位素的应答很相似，无法区分配体上的同位素标记。这些人类和小鼠OR都不适用嗅觉振动理论。

研究人员还在理论上阐述了嗅觉振动理论存在的漏洞。他们指出，嗅觉振动理论中的电子转移机制很容易受到非气味分子的干扰。不论是从理论还是实验角度看，嗅觉振动理论并不正确（争论还真是激烈呢）。

http://www.x-mol.com/news/2081

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