卢卡都灵：气味背后的科学

令人神魂颠倒的香水蕴含着什么样的科学？生物物理学家卢卡·都灵用精准和充满魅力的语言，为大家解释气味的分子组成及其背后的艺术。

一会你们将闻到一款香水 它会带给你们绝无仅有的体验

这款香水叫做“霓采天堂”

在全国各大商场都能买到

但是今天在这里 香水被分解成几部分

这项工作是由雅诗兰黛公司和香水调配者 凯莉斯·贝克尔完成的

我十分感谢他们

香水被分解成连续的几个小部分和一个香水和弦

现在你们闻到的是香水的“前味”

接下来是“中味” 甜味香料

我展示给你们看

“前味”伊甸清雾是根据英国的伊甸园计划命名的

“中味”甜味香料 还有“后味”白千层树树皮 -- 其中并不含白千层树树皮

因为那是被禁止的

最后就是完整的香味了

现在你们闻到的是一个组合

如果我想问组合里有多少个分子 没有人可以告诉我

于是 我用我办公室里的气相色谱仪做了一下检测

发现大约有400个

所以你们现在闻到的是几百个分子

弥漫在空气中 钻进你的鼻子里

不要觉得气味是十分主观的

你们闻到的差不多都是一样的

人们总是认为同一种气味对不同的人来说是不一样的

这个想法并不正确

一款香水就会证明 的确不是这样的

因为那样的话 制造香水就不算一门艺术了

现在 趁着香味还萦绕在你们周围 我来为你们介绍一个想法形成的过程

现在你所闻到的

都是由这样一些原子组成的 他们来自 被我称为

元素周期表“上东区”的地方 -- 一个美好而安全的街区

(笑声)

如果你想从事香水业 你一定不想离开这个地方

十九世纪二十年代 有一些人

尝试在香水中添加来自“坏街区”的原子 没有成功

这五个原子 可以组成

从咖啡到香水 现实生活中你所能闻到的一切

你们最开始闻到的“前味”

用香水专有名词说 就是割下来青草的香味 听起来很奇怪

这一类被称为绿叶调

闻起来像绿色的东西 比如割下来的青草

它的成分是顺3己醇 我可是在匆忙之中学的化学

过去的三年里 在一所十分昂贵的中学的化学课上学的

它有六个碳原子 所以写作“hexa”: 己醇

有两个双键 在一端有一个乙醇

这就是全部 就是为什么大家称之为顺3己醇

一旦你弄清楚它的结构 你就可以在派对上卖弄了

它闻起来就像割下来青草 这就是分子的骨架

如果再给它配上其他原子 比如说氢原子

在电脑上模拟看上去是这样

但实际上看上去是这样的 就某种意义来说

原子有某种不为人们所理解的性质 -- 他们相互排斥

好了 现在 为什么这个东西闻起来像割下来的青草呢

为什么闻起来不像土豆 或者紫罗兰 有两种理论

第一种理论认为: 一定是形状在起作用

这是一个完美的理论

因为在生物领域 形状在几乎所有东西中都起着一定作用 唯独这个是例外

酶用来消化 抗生素是用来做什么的你们都知道

蛋白质和它抓住的东西配成一对 在这种情况下它抓住的是气味

我会试着解释为什么这个概念是错误的

另一个理论是 我们闻到的是分子的震动

这是一个离谱的想法

九十年代初 我第一次接触到这个理论的时候

觉得我的前辈 麦肯戴森和鲍勃怀特 肯定是失去理智了

我待会会解释为什么我是这样的想的

但是 我逐渐意识到他可能是对的

我必须说服我所有的同事 这个理论是对的 我正在努力这样做

这里展示的是 形状是如何对通常的感受器起作用的

一个分子进来 进到蛋白质里 图中所示意的就是蛋白质

它让这个东西转变 旋转 向某个方向移动起来

通过合并某些部分

分子和蛋白质之间的互相吸引和作用力

造成了运动 这是基于形状理论的想法

这张幻灯片总结了为什么形状理论是错误的

这种方式 -- 我希望每一个人把这些化合物都记住

这是一个化学家工作手册中的一页

他为一家香水公司工作

他要制造45个分子 他正在寻找檀香料

就是闻起来像檀香木的东西

因为檀香木很贵

在这45个分子之中 只有编号为4629的闻起来像檀香木

于是他在上面标注了一个感叹号 这个工作量很大

这大概是一个人好几年的工作量 大约需要20万美金

在低酬劳和没有福利的条件下 是20万美金

如此 这是一个效率极低的过程

我认为“理论”不仅是可以

拿来教授别人的东西 同时也是节约劳动力的东西

一个理论可以使人们做更少的工作

我喜欢少做工作这个想法 让我来解释为什么 一个非常简单的事实

它会告诉你们为什么形状的理论并不成立

这是顺3己醇 闻起来像割下来的青草

这是顺3己硫醇 闻起来像臭鸡蛋

现在 你们一定已经意识到 伏特加酒闻起来绝不像臭鸡蛋

如果闻起来像的话 你就把杯子放下 去另外一家酒吧

这是 -- 换句话说 我们绝对不会

把S-H错误地认为是O-H

无论是在什么样的浓度 甚至是纯的情况下

如果你闻到纯的乙醇 它闻起来绝对不像臭鸡蛋

相反 无论在什么浓度下 硫化合物会闻起来都不会像伏特加酒

用分子识别来解释这个问题 难度很大

我把问题拿给我的一个物理学家朋友看 他一点也不喜欢生物

他说 这太简单了 两个东西的颜色不一样啊

(笑声)

我们需要进一步深入 现在我来解释

为什么震动理论有一定的道理 这些分子 正如你们开始时看到的

是基本组成 它们之间有弹簧连接着

事实上 分子可以在一定的频率下震动

每一个不同的分子和不同的连接方式 都有特定的频率

所以 这是O-H键发出的声音 转化成人耳可以听到的频率

S-H键 有十分不同的频率

现在看来 这十分有趣 因为它告诉你

你应该寻找一个独特的事实 事实是:

除了S-H以外 没有其他东西闻起来像臭鸡蛋

第二个事实就是 除了S-H 没有其他东西有那样的频率

如果你看到这些 想象一下钢琴的键盘

S-H键是在键盘的中间部分

可以说键盘的那部分损坏了

也没有其他的音符挨着它

你得到的是一个独特的味道 一种独特的震动

在这个游戏的最初 我就开始寻找

说服我自己 这个理论有一定的合理性

这整个故事有点疯狂

我开始寻找一种分子 任何分子

会有那种震动的分子 -- 明显地 我预测

那种分子一定闻起来像硫

如果闻起来不像 那么整个想法就是糟糕透顶 我最好还是去做别的事情

在到处寻找几个月后

我发现有一种叫做硼烷的分子

和硫有一模一样的震动

好消息是硼烷是可以获取的

坏消息是 它是火箭燃料

大部分情况下 它们在遇到空气的瞬间就会爆炸

而且 你打电话向公司询问 他们会告诉你你最少要买10顿

(笑声)

所以这不是一个实验室规模的实验

我所工作的学院也不会喜欢这个主意

无论如何 我最终得到了一些硼烷 这就是那个"怪物"

结果和我预期的一样 -- 如果你计算

如果你计算振动频率 它的和S-H的一样

现在 来看看它闻起来像不像硫 如果你去查文献

会发现有一个人比历史上任何人都更了解硼烷

阿尔弗雷德·斯托克 他用人工的方法合成过所有的硼烷类物质

在他用德语写成的 长达40页的论文中 他曾说

我太太是德国人 她为我翻译了一下

他曾说 “ganz widerlich Geruch”

意思就是“绝对令人厌恶的味道” 很好 让人想起硫化氢

硼烷闻起来像硫这一事实

自从1910年人们就知道了 但是却全然被大家遗忘了 直到1997年 1998年

现在唯一的不足就是

如果我们闻到的是分子的震动 我们的鼻子里一定要有一个分光镜才行

这是一个分光镜 在我实验室的椅子上

可以这么说 如果你观察一个人的鼻子内部

你不会看到任何类似这个的东西

这是反对这个理论的主要观点

好吧 我们闻到的是震动 怎么闻到呢

当人们问这个问题的时候 他们忽略了一些事情

物理学家都是很聪明的 不像生物学家

(笑声)

这是玩笑话 我是生物学家 好不好

这是一个自嘲的玩笑

福特汽车公司的 鲍勃·捷克洛维奇 和 约翰·兰姆

在福特公司花大手笔

进行基础研究的时候 发现了

制造纳米级分光镜的方式

换句话说 没有镜片 没有激光 没有棱镜 没有废话

只是一个很小的设备 他们用电子贯穿制造出这样的仪器

我其实可以给你们演示电子贯穿的过程

但是我做了一个视频 这样更有意思一些 是这样的

电子是糊里糊涂的家伙 它们可以越过间隙

但只有在能量相同的情况下 如果能量不同 它们就跳不了

但是和我们不同 它们不会从悬崖掉下去

好吧 现在 如果有什么东西把能量吸收了 电子就可以飞驰了

现在你们已经了解了这个体系 要是有

生物界有很多这样的东西

要是有一些物质可以提供电子 电子想要越过间隙

只有在一个有匹配震动的分子出现时

反应才会发生

这是福特公司那两个制作的仪器的基本原理

实际上 这个机制的每一个步骤 在生物领域中都是可行的

换句话讲 我用现成的部件

做成了一个分光镜

如果你有点哲学的天赋 你会发现这个点子的绝妙之处在于

它告诉你 鼻子

耳朵 眼睛可以感知震动

当然 这关系并不大 因为他们不能感知震动也是有可能的

但是 它有一定的

(笑声)

这个理论对某些人来说有一定的吸引力

对阅读了太多十九世纪德国文学的人来说

于是发生了一件绝妙的事情

我离开了学术界 到现实世界经营起生意

一个公司在我的想法的基础上建成了

用我的方式合成新分子

依照这样一个理念: 用别人的钱来喂自己的嘴

最开始 发生了一件事情

我们来到香水公司

问他们需要什么 因为

如果你能计算气味的话 当然也就不需要化学家了

你需要的是一台电脑 一台苹果电脑就成 如果你知道如何正确操作

你可以试一千个分子

也可以一个星期试一万个分子

然后只需告诉化学家 让他们去制造那一个正确的就可以了

这是制造新气味的直接方式

最开始发生的事情是

我们去法国见香水师

那里给我留下了一个印象 就像是查尔斯·弗莱舍经历的一般

其中一个人说 你一定合成不出香豆素

他对我说 我打赌你肯定合成不出香豆素

香豆素是香水中一个十分平常的原料

从来自南美的豆子中提炼出来的

是一种经典的合成香料♫

是男性香水的主要成分

确切地说是自1881年以来的主要成分

问题是 香豆素是致癌的

没有人尤其喜欢 他们的须后水里含有致癌物

(笑声)

确实有一些人不要命 但是也并不值得这样做

于是他们让我们合成香豆素 我们便开始计算

第一件要做的事情就是计算香豆素的震动频率

计算完成 就顺利多了

现在你有一张 可以说是香豆素"和弦"的图片

然后你启动电脑 寻找其他分子

相关的或者不相关的都可以 寻找那些有相同震动的

实际上 在这件事情上 我很遗憾地说

我们找到了 是偶然间发现的

我接到我们的一位首席化学家打来电话

他说 听着 我刚刚发现一个完美的反应

即使这个化合物闻起来不像香豆素

我也想用它 它闻起来实在太棒了

只需要一步 我的意思是 化学家的头脑太古怪了

一步 就可以得出90%的结果 你就找到了这么美好的

水晶般透明的化合物 我们来试一试

然后 我说 让我先计算一下那个化合物 右下角那个

它和香豆素有一定的关系 但是比香豆素的结构多了一个五边形

计算它的震动频率 紫色的光谱代表的就是那个新发现的家伙

白色的部分 是以前的那个

我们的预测是 它闻起来应该和香豆素一样

他们成功了 这个物质闻起来的确和香豆素一模一样

这就是我们新的宝贝 叫做汤克恩

你们看 科学家出售的是想法

然而 人们对新想法往往采取抵抗的态度 这也有一定道理

为什么要接受新的想法呢

但是 当你把一个10克的小瓶放在香水师面前的桌子上

它闻起来像香豆素 却又不是香豆素

你用三个星期的时间 找到了它

这迎合了每个人的心意

(笑声)

(掌声)

人们经常问我 你的理论被人们接受了没有

我说 被谁接受 我的意思是 -- 对我的理论有三种态度

你是对的 虽然我不知道为什么 这个态度是最理性的

你是对的 某种程度上来说 我并不关心你是怎么做到的

你给我分子就好

还有 就是你完全错了 我十分肯定是你完全错了。

今天 我们在和只在乎结果的人们打交道

这是一个商业的世界

他们告诉我们 即便我们是用占星术得到的结果 他们也高兴

但是 我们并没有利用占星术

在过去的三年里 我拥有

我认为全宇宙最好的工作 也就是我的兴趣所在-

你们都知道 就是 香水和其他美好的事情

加上一点点生物物理学的知识 一些自学的化学知识

为真正可行的事业服务

十分感谢

(掌声)