Наука со вкусом

Все мы, за редким исключением, — последовательные гедонисты. Это и объединяет всех нас, и дарит каждому его личную радость. Ребенок с мороженым, купец Гиляровского над трактирной кулебякой, современный горожанин на природе, с шашлыком под красное вино — все они переживают незабываемые впечатления, надолго остающиеся в памяти. Вкусовое ощущение можно смело причислить к одному из самых сильных.

Человеческие «пять чувств», в том числе и вкус, всегда были в центре философских изысканий. Величайший римский философ и поэт Тит Лукреций Кар (I век до нашей эры) писал в своей поэме «О природе вещей»:

Вкус мы сначала во рту ощущаем,
когда при жеваньи
Выдавим сок из еды, наподобье того,
как из губки,
Если в руке ее сжать,
можно досуха вытянуть воду.

Удивительно, но до недавнего времени наши представления о вкусовой системе человека и животных не слишком отличались от тех, которые излагал Лукреций два тысячелетия назад. Во всяком случае, Лукреций, будучи атомистом, уже связывал ощущение сладкого и горького с формой «основных тел» (читай «молекул») пищи. Несомненный прогресс был достигнут к концу ХХ века, чему способствовали бурное развитие молекулярной биологии, генно-инженерных методов и расшифровка геномов человека и мыши. Сегодня мы неплохо представляем, как функционирует на молекулярном и клеточном уровнях вкусовая почка — тот самый орган, где зарождается вкусовое ощущение. В значительной части наше современное понимание молекулярных механизмов вкуса основано на том, как изменяется вкусовая чувствительность при выключении генов, кодирующих рецепторные и сигнальные белки вкусовых клеток.

Насколько объективны пять базовых вкусов, которые мы ощущаем? Применимы ли эти человеческие категории к объективному описанию вкусовой системы животных? Можно ли это проверить — ведь мы вряд ли услышим от собаки «мой суп пересолен»? Прежде чем ответить на эти вопросы, рассмотрим некоторые свойства вкусовой системы.

Физиологическая функция вкусовой системы — это оценка качества пищи, то есть источника энергии и строительных материалов для жизнедеятельности организма. Пища может быть питательной или не слишком, а может быть и опасной, если содержит ядовитые вещества. По аналогии с тем, как наш мозг распознает цвет, обрабатывая сигналы от всего лишь трех типов фоторецепторов (сине-, зелено- и красночувствительных колбочек), есть основания считать, что вкусовое ощущение также формируется в результате комбинации ограниченного числа базовых вкусовых «цветов». Причем каждый из них ассоциируется с определенным классом физиологически важных веществ.

Сладкое

Сладкие вещества природного происхождения — это высококалорийные вещества (в частности, глюкоза — основное метаболическое топливо для мозга). Поэтому способность распознавать источники этой энергии в виде глюкозы, фруктозы или сахарозы важна для выживания. Некоторые другие природные вещества, в том числе аминокислоты (например, глицин), также могут ощущаться как сладкие. Хотя большинство животных активно ищет и ест пищу, которую мы называем сладкой, любовь к сладостям не универсальна. Например, члены семейства кошачьих в поведенческих экспериментах проявляют равнодушие к сладкому. Это связано с тем, что у них неактивен рецептор к сладким веществам — в гене, кодирующем этот рецептор, найдена специфическая для кошек мутация. Возможно, у этих хищников в процессе эволюции отпала необходимость в поиске высокоэнергетичных углеводов, что и привело к изменению вкусовой системы. Ведь она должна соответствовать диете.

Горькое

Неприятный горький вкус — это сигнал опасности, который предотвращает потребление токсинов. Практически все растения в разной степени содержат вещества, токсичные для человека и животных, например алколоиды. У разных людей чувствительность к горькому сильно различается, один и тот же горький стимул кому-то может показаться едва заметным, а кому-то — невыносимо горьким. Это хорошо соответствует полиморфизму человеческих генов, кодирующих рецепторы к горькому. Подобную же разницу в чувствительности к горькому и полимофизм генов нашли у мышей различных линий. Вероятно, это отражает способность вкусовой системы быстро эволюционировать — ведь при длительных миграциях животных в поисках пищи, их диета сильно менялась.

Соленое

У человека ощущение соленого вызывают несколько солей, но, пожалуй, хлорид натрия действует сильнее других. Если поменять хлорид-анион на другой, это влияет на степень солености солей натрия — могут добавиться ощущения кислого, горького и даже сладковатого. Большинство не натриевых хлоридов металлов (например, KCl) вызывают у человека ощущение соленого в сочетании с другими вкусами. У грызунов вкусовое ощущение, сопоставимое с соленым для человека, специфически вызывается катионами натрия и лития. Специфические детекторы, позволяющие распознать Na⁺ в пище, — физиологическая необходимость. Ионы натрия принципиально важны для жизнедеятельности клеток и не могут быть заменены никакими другими, а при этом теряются они постоянно. Именно специфический метаболизм животных и человека, особенно травоядных, заставляет регулярно искать соли натрия в окружающей среде.

Кислое

Вкус кислого не связан со специфической группой питательных веществ и ассоциируется лишь с содержанием протонов. Но анионы также сильно влияют на это ощущение. При одном и тот же рН растворы сильных кислот, например HCl, кажутся менее кислыми, чем слабые органические кислоты вроде лимонной кислоты. Вероятно, этот вкус эволюционировал как индикатор спелости — чтобы сразу понять, созрел ли фрукт и можно ли его есть. Кроме того, кислотность — показатель ферментации, то есть процесса, который обеспечивает первичную переработку пищи в природе и увеличивает ее питательные свойства. Многим нравится кисловатый вкус, но мы избегаем сильной кислоты, поскольку она может повредить зубы и пищеварительную систему.

Умами

Вкус умами вызывают аминокислоты и некоторые пептиды, он может служить интегральным показателем содержания белков в пище. У человека этот вкус прежде всего ассоциируется с присутствием глутаматов, то есть солей глутаминовой кислоты — одной из самых распространенных в природе аминокислот. Ее много в мясе, рыбе, грибах, сырах и других продуктах с высоким содержанием белков. Поэтому глутаматы используют как пищевые добавки, придающие еде приятный вкус. Специфическое свойство вкуса умами — синергизм, то есть существенное усиление вкуса в присутствии некоторых других веществ, например пуриновых 5'-рибонуклеотидов инозин- и гуанозинмонофосфатов. Возможно, причина в том, что свободные аминокислоты в природе практически не встречаются, но обычно присутствуют в сочетании с другими веществами. Это и привело к появлению рецептора, реагирующего и на другие компоненты пищи. В отличие от человека, который специфически чувствителен только к глутаматам, грызуны распознают с помощью гомологичного рецептора многие аминокислоты.

Объективность вкусов

Сейчас мы можем с уверенностью утверждать, что наши чувства нас не обманывают и что субъективно горькое, сладкое, кислое, соленое и умами — объективно отражают работу наших устройств, анализирующих состав пищи. Строгие доказательства этому были получены около десяти лет назад американскими учеными во главе с Чарльзом Цукером из университета в Сан-Диего. Они открыли группу генов в геноме мыши, специфически экспрессирующихся во вкусовых клетках и кодирующих рецепторные белки. Гетерологическая экспрессия этих генов в клетках HEK-293 (это нечувствительные к вкусовым веществам клетки, хорошо растущие в культуре), придала им способность отвечать на горькие субстанции и только на них. Стало ясно, что это семейство генов кодирует молекулярные детекторы горьких веществ.

Через несколько лет практически одновременно в нескольких лабораториях были идентифицированы рецепторы сладких веществ и аминокислот (ответственные за вкус умами). Гомологи этих генов нашли у многих животных и у человека. Потом дошла очередь до кислого и соленого: оказалось, что простые ионные вкусовые стимулы воспринимают, скорее всего, специфические мембранные белки — ионные каналы. Они и служат рецепторами.

Задача вкусовых клеток — не только распознавать и усиливать вкусовые сигналы, но и кодировать их, преобразуя в тот вид, который удобен для дальнейшего анализа в мозгу. Хотя принципы кодирования вкусовой информации не вполне ясны, но по совокупности данных практически нет сомнений в том, что все пять вкусов индивидуально представлены в мозгу и информация о них передается от специализированных вкусовых клеток по нервным волокнам вкусового нерва. Это подтверждает, в частности, электрическая активность индивидуальных нервных волокон — их выявляют при стимуляции языка исследуемого животного разными вкусами. Получается, что в основе наших субъективных вкусовых ощущений лежат вполне объективные молекулярные и физиологические процессы, во многом схожие с теми, что определяют пищевое поведение животных.

Зачем мы изучаем механизмы вкуса

«Ученые удовлетворяют собственное любопытство за счет государства» — часто повторяя эту шутку, многие начинают воспринимать ее всерьез. Финансируя фундаментальную науку, государство и общество в накладе не остаются: средства связи и передвижения, новые материалы и обезболивающие препараты — в основе всего, что делает нашу жизнь комфортной и относительно безопасной, лежат результаты деятельности любопытствующих ученых. Целесообразность изучения механизмов вкуса гораздо менее очевидна, чем, к примеру, механизмов боли — почему бы не ограничиться книгой о вкусной и здоровой пище? Между тем нормальное состояние вкусовой системы не только определяет удовольствие, получаемое от хорошей и вкусной еды, но критически важно для нормального пищеварения и усвоения пищи. Люди, потерявшие вкусовые ощущения, например, после радиотерапии, часто вообще отказываются от еды. Поэтому расширение знаний о механизме вкуса, изучение причин отклонений и поиск способов коррекции последних — важная задача медицины.

Другая группа задач физиологии вкуса — поиск модуляторов вкусовых рецепторов и создание искусственных вкусовых веществ. Ингибиторы рецепторов горького можно было бы использовать при создании горьких лекарств, вместо того чтобы помещать их в капсулы. Замена сахара на более эффективное и лишенное привкуса сладкое вещество для диабетиков тоже очень важна, но пока что у нас нет идеального решения. Уже очевидно, что крабов, икры и осетрины на всех не хватит, поэтому, возможно, качество жизни большинства населения планеты улучшит пакетик с пищевыми добавками, создающими ощущение королевского стола. Ведь мы не можем, как наши далекие предки, найти альтернативные деликатесы методом перебора.

Об авторе: С. С. Колесников, доктор биологических наук, Институт биофизики клетки РАН, Пущино