[TED故事] 气味的科学

每一个TED演讲在观者的眼中只是一个孤独的文本,唯有置于更广义的社会背景中,我们才能明白在这短短十八分钟的讲述背后所经历的挣扎、迷茫、坚定、梦想与奋斗。我们的团队新成员余恺将为大家带来别具一格的TED故事,分享TED演讲人背后的不凡人生和精彩思想。这一系列稿件旨在进一步推动TED演讲成为教育素材。余恺(yukind)目前在澳大利亚墨尔本大学进行社会研究项目并修读发展研究的硕士学位。

《气味的科学》

by 余恺

1925年,爱因斯坦在阿根廷首都布宜诺斯艾利斯进行了一场相对论的演讲。时隔83年后,演讲的全文正式在学术期刊Science in Context上以英语发表。在演讲中,爱因斯坦指出:“一条基本定律可以用某种确定的形式进行反驳,但是却无法确定地表明其正确性,我们需要谨记现有定律推理所得的逻辑结论可能会与新发现的现象存在矛盾。因此,经验并不能够产生基本定律,只能够判断基本定律。”按照科学哲学家卡尔波普尔的说法理解爱因斯坦,“所谓理论,只有在可能被证明是错误的前提下,才能成为科学理论。”

但要证明推翻公认的定律,尤其是受科学界广泛认可的定律,却并非易事。科学界的等级堡垒从来不亚于世俗社会,对此,Luca Turin一定深有体会。

Luca Turin是一名生物物理学家,研究领域是嗅觉的机理;他曾经在法国巴斯德研究所、莫斯科国立大学、伦敦大学任职,现在麻省理工大学Zhang Shuguang教授领导的研究小组参与人工鼻的研究;同时他还担任一间气味分子设计公司的首席技术官。Luca Turin还出版了一本非常有名的香水指南。而真正让Luca Turin名声大噪的是其提出的被认为是学术异端的嗅觉感受的振动理论,该理论要挑战的,正是占统治地位的嗅觉感受形状理论。

Luca Turin实际上并非嗅觉感受的振动理论的最早提出者。1985年,身处尼斯的Luca Turin在图书馆闲逛,偶然读到一篇发表在《化学与工业》期刊上的题为《气味与分子振动》的论文,该论文是为了论证Dyson在1938年提出的人体感受气味分子的振动机理。


TED.com: Luca Turin on the science of scent

简单地说,当我们闻到某一种气味的时候,我们所感受到的是一种整体的气味,但实际上,是大脑把鼻子中的嗅觉受体与单个气味分子结合,然后再重新组合形成的一种整体的气味感觉。例如,Luca Turin在TED的演讲一开始所举的几种香水气味,其中的一种,就是由400个分子组成的。

那为什么榴莲的气味不会像桔子的气味呢?因为气味组成的分子具有特异性。按照科学界公认的解释,气味分子就像是钥匙,而人鼻子中的嗅觉受体,就是钥匙孔洞,一个钥匙之所以能刚好对着一个钥匙孔洞,是因为“形状”吻合。人体中的酶、抗体的作用原理都是基于形状对应的机理。发现嗅觉受体的Linda Buck和Axel因此获得了2004年的诺贝尔生理学与医学奖。

但是Dyson的论文提出:不对。人的气味感受系统是基于振动的原理。Dyson认为,每个特定的气味分子都有一个特定的波长频率,就像声音一样。气味是由分子的波长所决定。人的鼻子就像一个光谱仪,可以根据不同的气味分子的波长分辨气味分子。

要证明Dyson的振动理论的错误,只需要找到一个爱因斯坦式的实证式反驳:找到两个分子,具有相同的波长频率,但气味不相同。

还真有:对映体分子。对映体分子是一种镜像的结构,具有相同的物理性质,但方向相反。因此一对对映体分子就像人的双手,分成左旋体与右旋体:结构方向相反,但是波长频率相同。如果形状理论是对的话,那么对映体分子的气味应该是不同的;如果振动理论是对的话,那么对映体分子的气味应该是相同的。

香芹酮正是一对对映体分子,左旋体与右旋体都有10个原子,振动频率都是54。香芹酮右旋体的气味像是薄荷;香芹左旋梯的气味则像是葛缕子的味道。形状理论胜。

当年31岁的Luca Turin看完手头上的这篇关于振动分子假说的论文,哈哈大笑,“这论文在瞎说”。扔下期刊,离开了图书馆。

三年前,当28岁的Luca Turin完成了在伦敦大学的生理学博士学位论文后,来到了法国的风景胜地蓝色海岸附近的尼斯开始了他的研究生涯。在尼斯呆了6年后,Luca Turin加入了法国顶尖研究机构巴斯德研究院,在这里完成了一项专利研究:蛋白质的导电特性研究。

同时,他还是一名疯狂的香水粉丝。按他的说法,人的每项感官都与艺术相联系,绘画艺术是视觉感官、交响乐是听觉感官、美食是味觉感官、而雕塑则是触觉感觉。嗅觉的艺术?莫过于香水了。

对于香水,Luca Turin有一种独特的天分:他能够用诗般的语言描绘香水的美妙。他就是描绘香水的拜伦,他所出版的香水指南成为香水巨头与香精公司职业的案头读物。这本由企鹅出版社出版的专业性书籍甫一上市就卖出了8千本。而这本书描绘香水所用的迷人语言让少人觉得作者是男同志。

该书的成功让Luca成为众多香水公司的座上客。有一次,成立于1905年的顶级香料公司Quest International的首席香水师Francoise Carbon邀请Luca Turin到办公室,让他描述新设计的一种香水。Luca深深地吸了一下,“非常不错,这种香水的气味就像是两种颜色的丝绸,在不同的灯光下显现出迥异的色彩。”Carbon看着他,一言不发,拉开抽屉,拿出一张纸,递给Luca,“念。”

这是客户给Carbon的香水设计的要求:“我们想要设计的香水的气味就像是两种颜色的丝绸,在不同的灯光下显现出迥异的色彩。”

如果说对嗅觉的描述是天分所赐,那Luca Turin绝对就是一名气味的天才。

Luca的名声很快传到了大洋彼岸。美国海军给了Luca一笔6万美元的研究经费,让他研究气味的电学特性,刚好是他的两个研究领域的结合。这时候,他获得了一份在母校——伦敦大学的教职,在这所声名卓著的大学建立自己的实验室。

如果看过Luca在TED上的演讲,一定会觉得他是名老实巴交的科学家。这句话只是对了一半,Luca无疑是科学家,但绝对不是老实巴交型的,试想一下:能用莎士比亚般的语言描绘气味的天才,定是天马行空式的人物,怎会乖乖地耗在实验室里跑电泳呢?按英国人的谚语,做实验不是他的那杯茶。

一到伦敦大学,Luca如常一样,在图书馆里漫无边际地翻阅着物理、化学、生物各种各样的期刊。一天,他翻到一篇论文,讲述电子隧道光谱的设计原理。设计者是通用汽车公司的Bob Jacklovich和John Lamb,不用反射镜、不用发射光、不用棱镜,利用的是电子隧道的原理:电子具有跃迁的趋势,但只有当吸收足够的能量才能进行跃迁,进行迁移。

且慢。Dyson说,人的鼻子就像一台光谱仪;以他做过的蛋白质导电性研究表明人体中的物质具有电学特性;而如果一个气味分子具有特定的波长频率,使得人体中的电子获得能量,就可以产生迁移,气味就可以感受到了。Luca顿时眼前一亮:人体就像一个电子隧道光谱, Dyson可能不是瞎说的。Eureka!Luca嗅到砸在牛顿头上苹果的气味了。

有了理论假设,需要观察或者实验验证,这时科学家工作的过程。要验证不难,只需要找到两个具有相同波长、形状不同的分子就行了。

Luca首先用的是S-H键,波长是2500。S-H键的气味可能最为中国学生所熟知:初中化学的时候就学过硫化氢(H2S)的臭鸡蛋味就是S-H键的气味。那有没有一种波长同样在2500的另一种分子呢?

答案是一种叫硼烷(Borane)的分子,是Luca在里斯本度圣诞假期的时候在一间书店的书架上随手翻开的一本1964年的物理化学书中找到的。好消息是,很多化学试剂供应商都出售硼烷;坏消息是,至少要买一吨。Luca只想闻一闻味道,于是在与供应商通电话的时候,说:“我可以要一份样品吗?”

“不好意思,先生,我们没有样品。”

Luca只需要知道硼烷的气味是不是臭鸡蛋:“那你可以告诉我硼烷是什么气味吗?”

电话线的另一端沉默了一会儿:“对不起,先生,我想我能做的是尽可能不要闻它的气味。谢谢。再见。”

失望的Luca终于在另一家更著名的供应商Sigma找到了硼烷:气味像是煮熟的洋葱。洋葱含有硫氢键;他再询问了几名从事硼烷研究的化学家:“对,我们都知道硼烷有硫的味道。”

Luca大喜:是时候写一篇论文了!投到哪里发表?当然是《自然》(Nature)!

在英国出版的《自然》与在美国出版的《科学》(Science)是学术期刊的泰山北斗,武当少林;对科学家的重要性,这样说吧,如果你是在中国读研究生,能在《自然》发表一篇论文的话:50万大元奖励。

但还需要更多的证据。Luca不断地收集更多的例证。例如同位素分子。同位素在化学书上的定义是:具有相同质子数,不同中子数(或不同质量数)同一元素的不同核素。借用科普畅销书作家Chandler Burr的比喻较好理解:不同同位素之间的关系就像原味可乐与健怡可乐之间的关系。同位素之间的形状相同,但波长不一样。

Luca在Aldrich试剂公司找到了一种叫苯乙酮的物质有不同的同位素供应。气味如他所愿:不同。二茂铁(ferrocene)和二茂镍(nickelocene),这两种分子形状一致,但气味也不一样。

于是Luca满怀信心地投出了寄往《自然》杂志的论文。

学术论文的发表与普通文章的发表不同之处在于学术论文采用的是“同行评价”(peer review)机制。论文发表与否需要一般是3名审稿人在审阅完论文后,认为存在学术的价值,才可以发表。审稿人可不是你我此等凡夫俗子,均是在学术江湖有一定地位的人物。

但是科学家并非不食人间烟火的造物,投稿人与审稿人观点的歧异往往会使审稿人在审稿时心态发生微妙的动态过程。在2003年的《自然》杂志上Peter Lawrence教授撰写了一篇题为《论文发表的政治》(The politics of publication)的评论,文中提到“那些不是科学家的人们认为科学是普世的,永恒的;但实际上科学是分割的、政治的。”

Luca Turin的论文被审稿人退回,每个人都提出了数点意见,认为Luca的理论存在各种各样的问题,总结成一句话:气味的感受机理应该是形状理论,不应该是振动理论。Luca感到懊恼,立马给编辑Nick Short写邮件:Nick,我可以回应每一点的质疑,我要重新提交我的论文。

如此来来回回,一年的时间过去了。最终的结果是:审稿人仍然不认可Luca的理论,《自然》也就不可以发表论文,哪怕是以“假说”的形式发表,哪怕如果Luca的理论是正确的话,整个嗅觉科学的教材要重写,而这正是科学前进的标志。

几经抗争后,最终Luca放弃了。不过还是有好消息:有200万人收看了BBC所拍摄的关于Luca的气味振动理论的专辑。引起了广泛的反响:英国皇家学会邀请Luca参与年度公众科学展览,该展览每年只邀请十二个专题的科学研究,能获邀参展是莫大的荣誉,尽管事后Luca得知,皇家学会的会长Aaron Klug爵士并不同意Luca气味分子振动理论参展,只是因为数万册宣传材料已经印刷完毕无法更改,才勉强同意;学术期刊《化学感官》(Chemical Sense)主编Van Toller邀请Luca 把他的论文在《化学感官》上发表,不需要审稿过程,直接发表。

不需要审稿?可以么?

通常是不可以的。但你这篇论文可以。

于是Luca Turin的论文就在1996年第21卷第6期的《化学感官》上发表了。《化学感官》历史上第一次不需要审稿直接发表的论文。尽管《化学感官》的影响因子只有3.041,而《自然》的影响因子是28.751,但总算发表了。

BBC节目的另一好处是,与学术论文相比,更多的受众能够接触到Luca的理论。正如诺贝尔奖得主、DNA双螺旋结构发现者之一的Francis Crick所言:“没有一种文体比随便一篇科学论文更难让人理解和感觉无聊了。”作为大众传媒的BBC,成为了Luca理论的最好的宣传工具。

科普作家Chandler Burr找到了Luca,随后写了一本以Luca为主角的科普作品《气味之王》(The emperor of scent)。在书中,Luca被描绘成为从事唐吉坷德式任务的拜伦式的人物:睿智、幽默、直率、有生活品味的唐吉坷德,挑战科学界的庞然大物——正统理论及其背后的学术巨头们。

香精香料公司也找到了Luca,请他设计新的香气成分。如果Luca的理论是对的话,意味着数以十亿美元计的香精香料行业的研发流程将发生颠覆性的变化。传统香精香料开发所基于的形状原理导致产品研发过程耗时长、成本高。而以TED Talk中Luca所举的香豆素(courmarin)为例,香豆素是男用香水中的主要成分,但是却是一种致癌物质。有没有可能找到一种香气相同,但是不具有致癌作用的取代物?

化学家们认为不可能。Luca打开计算机,用他的振动理论进行运算,找到香豆素对应的波长,然后在香豆素结构上外加一个官能团,波长不变,结构不同,气味?与香豆素一样。Luca花了三周时间,完成了一项不可能的任务。

那究竟Luca的振动理论是对的还是错的?

“那要看你问谁的态度了,有三种态度:第一种是,你是对的,但我不知道为什么你是对的;第二种是,你是对的,但我不关心为啥你对,把我要的分子给我就行;第三种,你是错的,你完全错了,我绝对肯定。”

但不管别人怎么看,现在Luca用他的理论在商业世界中设计各种各样的气味。像所有的童话故事或武侠小说千篇一律的情节一样,一个无名小子在历经磨难、质疑和争斗之后,从此过上了幸福的生活。就像Luca在TED上最后的话:“在过去的三年,我在从事我认为在整个宇宙中最美妙的工作——香水和所有奇妙的事情——加上一点生物物理学、一点自学的化学,为一些真正有用的事情付出我的努力。”当然,还有大把的银子。《自然》?一边去吧。

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《[TED故事] 气味的科学》上的一个想法

  1. 好文,但是行文还是缺乏一些科学的逻辑性….

    疑问: Luca理论的实际应用是能找到同样气味(频率相同)的不同物质(分子结构不同).

    但是香芹酮右旋体和香芹酮左旋体分子波的频率相同,气味不同,Luca是怎么解释的?

    如果Luca用香芹酮左旋体替换香芹酮右旋体, 那他就失手了.

    有可能是人体的介质特性还远未被发掘,比如是偏振相关的.这样就可以解释香芹酮左/

    右旋体的问题了.

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