Наука подводных запахов
Чтобы поймать преступника — нужно думать, как преступник, А чтобы поймать карпа — нужно нюхать как карп. Александр Хоха проанализировал органы обоняния карпа с научной точки зрения и дал практические советы по изготовлению бойлов.
Обоняние — древнейший и самый важный орган чувств. Оно предназначено для поиска пищи и оценки ее качества, для коммуникации и выстраивания отношений в группе сородичей и чужаков, для поиска половых партнеров и ухода за потомством, для обнаружения и избегания хищников и прочих опасностей, ориентации в окружающем пространстве и так далее.
У водных обитателей обоняние возникло раньше, чем у сухопутных, а затем претерпело некоторые изменения в связи с выходом на сушу. Спектр рецепторов для водных запахов сократился, а группа, нацеленная на летучие вещества, наоборот расширилась. Строение органов обоняния осталось прежним, изменился лишь способ доставки пахучих молекул к месту их распознавания. Вместо воды носителем запахов стал воздух.
Органы обоняния у рыб
На голове у рыб (карпа) расположены обонятельные отверстия. Через переднее вода попадает в «обонятельный мешок», через заднее покидает его. На дне мешка находится участок овальной формы — обонятельная розетка. Для увеличения площади она имеет складчатую поверхность. На складках (ламеллах) располагаются обонятельные клетки, по периферии розетки — клетки с длинными ресничками. Если нет течения и рыба неподвижна, своим биением они создают ток жидкости над обонятельным эпителием. Таким образом, для того чтобы нюхать, рыбам, в отличие от наземных существ, дышать не обязательно.
А — обонятельная розетка и ламеллы, В — обонятельные луковицы, С — обонятельный тракт (Hamdani, Døving, 2007).
Размер розетки и особенно число ламелл часто коррелирует с обонятельной чувствительностью вида. Среди рыб карп не самый выдающийся «нюхач», хотя и относится к макросматикам. У него 25-26 ламелл, а вот у сома их 293. Обонятельные клетки — это специализированные нервные клетки (нейроны). Их тело располагается в толще эпителия и имеет два отростка. Короткий (дендрит) направлен к поверхности, длинный (аксон) уходит в мозг. Первый образует утолщение — обонятельную булаву, которая покрыта множеством ресничек или ворсинок. На их поверхности располагаются обонятельные рецепторы.
И у наземных животных, и у рыб реснички и ворсинки погружены в слой защитной слизи, так что запахам и в одном и в другом случае приходится преодолевать эту водную преграду. В этом им помогают специальные транспортные белки, которые доставляют пахучие вещества (одоранты) к ворсинкам и удаляют их после контакта. В некоторых случаях пахучее вещество может подвергаться химической модификации прежде чем соединится с рецептором.
Избирательность рецепторов (за исключением тех, что распознают феромоны) невелика. Они реагируют скорее на группу сходных по строению молекул, чем на индивидуальные вещества, однако параметры этого взаимодействия в пределах группы отличаются. В качестве примера можно привести рыбий обонятельный рецептор 5.24, который реагирует с разной интенсивностью на все аминокислоты.
Из этого факта есть важное следствие. Восприятие запаха может зависеть от концентрации одоранта. Если она невелика, то реагируют лишь рецепторы, имеющие наибольшее сродство к данной молекуле. При увеличении концентрации начнут возбуждаться и другие, внося новые нотки в структуру запаха. Так, скатол в малых дозах пахнет жасмином, в больших — калом. Другие рецепторы также могут распознавать молекулы из этой группы, но уже с другими приоритетами. Иными словами, каждая запаховая молекула распознается многими рецепторами, и каждый рецептор реагирует на многие одоранты. Это позволяет различать огромное количество запахов, число которых значительно превышает спектр обонятельных рецепторов.
Соединение одоранта с рецептором вызывает в обонятельной клетке стандартный каскад биохимических реакций, приводящих к генерации нервного импульса. По аксону он передается в обонятельную луковицу — первую структуру в мозге, где происходит анализ полученной информации. На каждой обонятельной клетке имеются рецепторы лишь одного вида, то есть каждая представляет собой отдельный сенсор. Аксоны идут индивидуальными волокнами и объединяются на поверхности одной (митральной) нервной клетки в обонятельной луковице. Поскольку аксонов много, такая структура имеет вид клубочка (гломерулы). Число гломерул примерно соответствует числу обонятельных рецепторов одной специфичности.
Гломерулы образуют в луковице пространственную сеть, которую можно сравнить с сенсорной поверхностью. Пахучее вещество, прореагировав с обонятельными рецепторами, в конечном итоге образует на этой панели характерное для него пятно возбуждения разной формы и интенсивности. Если пятна от нескольких одорантов не перекрываются, запахи легко идентифицируются. Поскольку природные ароматы, как правило, образованы множеством молекул, картина может быть сложной, но вполне индивидуальной для каждого конкретного случая. Также в ней могут присутствовать характерные для отдельных молекул или их групп участки возбуждения, позволяющие распознать запаховые нотки в смеси.
Нервные волокна, выходящие из гломерул, объединяются в три пучка и следуют в центральные структуры мозга, отвечающие за анализ полученной информации и включающие соответствующие поведенческие реакции. Один пучок несет информацию о половых феромонах, другой — о социальных обонятельных стимулах, третий – о пищевых.
А — обонятельные нейроны, В — обонятельная луковица, С — гломерулы, D — митральные клетки (Hamdani, Døving, 2007).
Обонятельные рецепторы рыб
У рыб несколько сотен обонятельных рецепторов разной специфичности, а число несущих их клеток составляет сотни тысяч. Они делятся на три типа: собственно обонятельные рецепторы (OR), распознающие все основные запахи и в воздухе и под водой. Рецепторы, реагирующие на группу веществ под названием «амины» (TAAR) и вомероназальные рецепторы (VR), специализирующиеся на восприятии феромонов. У наземных существ существенно больше OR: свыше тысячи у грызунов и всего 50-150 у рыб. Зато у последних на порядок больше рецепторов, реагирующих на амины (6 у человека, 15 у мышей и 112 у Данио-рерио — рыбы семейства карповых).
Разнообразие рецепторов говорит о способности различать большее количество запахов. Количество рецепторов одного вида коррелирует с остротой обоняния. По этим параметрам трудно сравнить наземных и подводных обитателей. Поскольку спектр одорантов и их концентрация в окружающей среде сильно отличается, то правильней будет сказать, что обонятельная система у рыб адекватна среде обитания.
Подводные запахи пищи
Поскольку социальные и половые стимулы — отдельная сложная тема, прибережем их для особого рассмотрения и сосредоточимся на пищевых запахах. К ним относятся аминокислоты, амины, нуклеотиды, в некоторых работах упоминаются органические кислоты. Еще одним мощным обонятельным стимулом являются желчные кислоты, но их чаще относят к социальным запахам.
Аминокислоты — наиболее простая и понятная для карпятников группа веществ — «кирпичики», из которых построены белки. Это носитель одновременно и вкуса, и запаха пищи под водой. Помимо 20 протеиногенных (которые входят в состав белка) аминокислот, в организме животных есть как минимум столько же, использующихся для других целей. А если вспомнить все аминокислоты, которые обнаружены в составе растений и микроорганизмов, то их число приблизится к 700. Вполне вероятно, что многие из них, если не все, участвуют в образовании подводных ароматов. Например, недавно было обнаружено, что чисто микробная аминокислота, входящая в состав клеточной стенки (диаминопимелиновая), используется рыбами в качестве маркера присутствия бактерий. Если учесть, что наш генетический код написан всего четырьмя буквами, то спектр ароматов, который можно сформировать с помощью такого количества компонентов поражает воображение.
Аминокислоты попадают в воду из разных источников. Они могут выделяться из клеток бактерий, фито- и зоопланктона или водорослей — живых и погибших; присутствовать в экскрементах и выделениях подводных обитателей или поступать в воду в результате ранения или разложения погибших особей. Запах крови — это в значительной мере запах аминокислот. Концентрация аминокислот в воде наших водоемов — величина непостоянная и зависит от времени суток, года, типа водоема и так далее. Но в среднем, это величина порядка 10-6 — 10-7 М. Это соответствует чувствительности обоняния рыб (10-7 — 10-9 М).
Амины
Амины образуются при отщеплении от аминокислот карбоксильной группы (декарбоксилирование). Среди них много молекул, обладающих высокой биологической активностью. Важнейшие функции в мозге выполняют серотонин, дофамин, адреналин, норадреналин. Ни на что не намекая, отметим, что амфетамины из этой же группы. Но нам более интересны вещества, которые могут присутствовать в воде. И среди них —прелюбопытнейшая группа аминов, образующихся при гниении. Кстати, ничего плохого в этом слове нет, гниение — это всего лишь микробное расщепление белка.
При декарбоксилировании лизина и орнитина образуются так называемые трупные яды — кадаверин и путресцин (cadaver по латыни — труп). Когда-то их считали необыкновенно токсичными веществами, причиной смерти анатомов, вскрывавших трупы, откуда и произошло название. Впоследствии оказалось, что врачи заражались, подхватив соответствующую инфекцию от покойника, а яды тут не причем. Более того, они почти безвредны, но вот «амбрэ» …
И рыбы, и наземные существа великолепно чувствуют этот запах разлагающейся плоти. Кадаверин и путресцин летучи и растворимы. Представителей разных видов этот запах может как привлекать, так и отталкивать, в зависимости от особенностей поведения и питания. Для карпа, увы, не нашлось данных, но доподлинно известно, что карасю он нравится, а, вот, Данио-рерио его избегает. В любом случае, это всего лишь один из ароматов гниения. Если вспомнить, что нацеленных на эту группу веществ рецепторов у Данио-рерио в двадцать раз больше, чем у человека, то можно предположить, что основные открытия еще впереди.
Есть мнение, что бойл после некоторого пребывания в воде подвергнется действию микробов, что создаст вокруг него приятный ароматический шлейф и повысит привлекательность. Если у кого-то есть желание познакомиться с органолептическими свойствами соединений, образующихся при микробном расщеплении белков, «погуглите» тему «Гниение белка в кишечнике». Это даст представление о том, что вы получите вокруг насадки, после того, как над ней поработают микроорганизмы. Путресцин с кадаверином «отдыхают».
Нуклеотиды
Нуклеотиды — это мономеры, из которых построены нуклеиновые кислоты, в том числе носитель генетической информации — ДНК. Также на слуху важнейший нуклеотид, выполняющий функции запасания энергии в клетке — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Нуклеотиды, кстати, вместе с аминокислотами являются носителями вкуса «умами». Но в нашем рассмотрении намного более любопытен тот факт, что рыбы используют запах АТФ для оценки свежести пищи.
Дело в том, что синтез АТФ идет только в живой клетке. Его концентрация прогрессивно снижается после остановки жизнедеятельности. Было обнаружено, что давно известные аденозиновые рецепторы выступают в роли сенсора этого соединения, работая в паре с ферментом, отщепляющим от АТФ фосфатные группы. Собственно, факт, что рыбы по запаху могут определить свежесть пищи, удивления не вызывает. Скорее дает еще один повод усомниться в преимуществе полежавших на дне бойлов.
Перечисленными видами молекул не исчерпывается разнообразие подводных пахучих веществ. Природные лиганды для большинства рецепторов неизвестны, и их расшифровка сулит немало открытий. Например, недавно был обнаружен одорант, по химическому строению относящийся к очень сложной разновидности жирных кислот. Еще мудренее — социальные и половые запахи, среди которых углеводы, стероиды и простагландины. А еще (кто бы мог подумать) рыбы слышат запах ионов кальция.
Подводный запаховый фон варьируется, каждый живой и неживой объект пахнет по-своему. И хоть эти запахи сложны и состоят из большого числа компонентов, рыбы прекрасно в них ориентируются. Карп, например, с легкостью отличает запах особей своего вида от запаха ближайшего родственника — карася. И это не связано с феромонами.
Практические выводы
Способностью реагировать с обонятельными рецепторами, то есть запахом, обладают лишь малые молекулы (с молекулярной массой до 400 дальтон). Ни белки, ни углеводы в виде крахмала не пахнут, их молекулы слишком велики. Пахучие вещества должны быть растворимы в воде, что сразу делает и жиры плохими кандидатами. Чтобы бойл вкусно пах под водой и был привлекателен на вкус, надо чтобы в нем присутствовали поименованные выше малые молекулы, прежде всего — аминокислоты. Пару слов, как этого добиться.
Во-первых, остановимся на одном нюансе, который людям без биологического образования может быть не понятен. Запахом обладают лишь свободные аминокислоты — те, которые «плавают» в клетке в ожидании своей участи. «Ждут», когда их задействуют в синтезе белка или подвергнут расщеплению с целью получения энергии. Те аминокислоты, которые находятся в составе белка (связанные), не пахнут. Более того, они и аминокислотами-то не являются. Это белок, отдельная и очень устойчивая к разрушению молекула. Чтобы высвободить из нее аминокислоты химическим путем, ее кипятят в течение суток в растворе соляной кислоты. Чуть проще этого можно достичь с помощью специальных ферментов. Поэтому, когда вы изучаете аминокислотный состав белка или считаете скоры в бойлах, имейте в виду, что эти аминокислоты не имеют отношения к запаху.
В покоящихся зернах свободных аминокислот мало. Соответственно, их мало в растительной муке, использующейся для приготовления бойлов. Чуть лучшим источником может служить пророщенное зерно. Мало их и в рыбной муке в силу особенностей ее производства. Рыба сначала пропаривается, а потом перед сушкой прессованием удаляется жидкость, как раз и содержащая заветные запахи. Белка в ней много, а свободных аминокислот мало.
Для придания аттрактивности нашему мучному шарику можно использовать следующие приемы. Добавление фаршей, содержащих все внутриклеточные молекулы, включая аминокислоты. Использование специальных предварительно обработанных ферментами компонентов, в которых белки подверглись частичному расщеплению с высвобождением свободных аминокислот. Прежде всего, речь идет о предигестированной рыбной муке. Еще есть подход, связанный с внесением термостабильных ферментных добавок в бойл, которые предназначены для гидролиза белка на месте. Практикуется внесение чистых аминокислот, которые доказали свою привлекательность. Например, аланина, цистеина, пролина, глицина и др.
И, наконец, самый простой и эффективный путь — добавление в жидкую часть аминокомплексов. Это могут быть и промышленно изготовленные ликвиды и человеческая еда, например, соевый, рыбный, устричный соус, белачан, паста мисо, дрожжевая паста мармит и так далее. Во всех этих продуктах белок частично расщеплен с помощью собственных или привнесенных ферментов. Их аттрактивность объясняется высокой концентрацией свободных аминокислот.
Аминокислоты и нуклеотиды не летучи и мы не слышим их запаха. Поэтому вид карпятника (я тоже так делаю), вдыхающего воздух из баночки с бойлами в надежде оценить их качество, вызывает улыбку. А что нам еще остается? Приятный запах улучшает настроение, придает уверенности и позволяет легче расстаться с деньгами.
Если бы мы научились имитировать пищевые запахи, их концентрацию и способ подачи, вопрос о дальнем привлечении был бы закрыт раз и навсегда. Обоняние как раз тот дистантный орган чувств, который предназначен для поиска пищи. К сожалению, наш подход с вываливанием кучи корма, сдобренного ликвидами, слегка пахнущими для нас и, по всей вероятности, тошнотворно воняющими для рыб, вряд ли когда-нибудь даст нужный результат.
