從嗅覺系統原理出發，探討空氣是否真的「無味」

引

有「詩佛」之稱的唐代著名詩人王維在《山居秋暝》中寫到「空山新雨後，天氣晚來秋」，對初秋山間雨後的描寫，讓人身臨其境，仿佛身處山間聞到了空氣清新的味道。

但空氣真的有味道嗎？

空氣

初中教材告訴我們，空氣充斥在生活中的每個角落，是自然界中動物存活的基礎，即看不見也摸不著，風是唯一能感受它存在的形式。

在完全認識空氣之前，人類都認為空氣是單一的氣體，直到十八世紀，科學家將汞（Hg）放在密閉容器中加熱，發現Hg（汞）變成了紅色的硃砂（HgO），容器中空氣體積減少了1/5。

隨後，科學家測定剩餘氣體是氮氣，並且將硃砂加熱製得汞（Hg）和氧氣（O2），因此判定空氣由氮氣和氧氣組成。

時間來到1892年，英國科學家發現空氣中氮氣和純氮氣密度存在差異，經研究發現空氣中還包含了除氮氣外的其他「惰性氣體」，從此人類對空氣成分的測定步入精準時代。

現代科學認定，空氣是由78%的氮氣、21%的氧氣和1%的其他氣體組成，無色無味，成分隨著大氣層高度變化而變化。

擁有了答案，再去探討原因也很有趣。空氣為什麼無味就是我們要探討的問題，要了解氣味，就必須從了解我們的嗅覺系統開始。

嗅覺系統組成

嗅覺作為人類認識世界的一種基礎感覺，通俗來講是氣味刺激鼻腔內細胞產生的感覺，是人類最早使用的感覺，相比味覺等更為複雜。

鼻子是人類外在的氣味感受器官，當氣體進入鼻腔後會經過一塊敏感區域，俗稱嗅裂，位於鼻腔內部上方，而嗅裂區域呈不規則形狀的嗅黏膜是嗅覺的主要感受體。

嗅黏膜上方分布著千千萬萬的嗅毛，嗅毛在粘附了氣味分子後被嗅細胞感知，會將受到的氣味刺激信號，以脈衝形式通過傳導神經傳遞給大腦中的嗅分析器，至此人類產生嗅覺。

嗅覺系統如何感知氣味

嗅覺系統如何識彆氣味，最早認為氣味由物體散發出的輻射引起，再後來原子論被提出，又被認為是不同氣味原子形狀不同導致，如圓形狀原子是甜味，酸味是尖形狀原子等。

直到1949年，蘇格蘭科學家提出模具和模形的理論，認為氣味分子在鼻腔內都有屬於自己的受體，不同分子和不同受體結合，從而產生不同氣味，雖然此理論現在看來存在嚴重BUG，但是不可否認，人類對嗅覺如何識彆氣味的認識在逐漸加深。

真正解決嗅覺如何識彆氣味謎題的是2004年獲得諾貝爾獎的美國科學家理察·阿克塞爾和琳達·巴克，兩人提出了氣味受體基因群概念。

兩人指出每個嗅細胞表面都存在一種G蛋白偶聯受體，每個受體都有一條跨膜7次的多肽鏈，並組成一個粘合球囊，氣味分子與特定的受體粘合，結構發生變化，從而引起另一種G蛋白發生變化。

G蛋白的變化會刺激cAMP（環磷酸腺苷）形成，激活細胞膜形成離子通道，使嗅細胞激活，導致脈衝信號傳向嗅球。

利用蛋白質的生成都對應一種基因的原理，兩人就反向對只出現在嗅細胞內的基因開始研究，令人意想不到的是，這一決定竟發現了人體內最大的基因群，包含了1000多種基因，也就是說對應1000多種氣味蛋白受體。

與此同時問題也接踵而至，如此多受體每個嗅細胞都具有還是只對應一種呢？

在之後實驗中，答案得到證實。每個嗅細胞只表達一種基因，人體擁有400多種受體蛋白，但問題又出現了，人類到底是如何利用400種受體去識別上萬種氣味的呢？

隨著實驗推進，發現不管是受體還是氣味分子，都不是一對一存在的，氣味也不是由單一氣味受體識別，400種受體的隨機組合成為人類能識別萬種氣味的秘密。

嗅覺受體

不止如此，研究還發現嗅球區域下方擁有2000多種微小區域，可獨立接受特定嗅細胞傳來的信號，當多個信號被傳送到同一區域，大腦通過整合形成氣味，最終被我們記憶。

嗅覺受體是否感知空氣

由於空氣的複雜多樣性，外加篇幅實屬有限，我們就以人類賴以生存的氧氣為例，看看空氣中氧氣的變化是否會引起嗅覺系統的感知。

人類對氧氣是否被感知的研究主要集中在近10年內，研究發現氧氣的嗅覺受體Olfr78主要存在於頸動脈體氧氣感受細胞中，但識別的卻不是氧氣的味道而是濃度，至於為什麼存在於非嗅覺細胞中科學家也不得而知。

2016年科學家發現，小鼠依靠鼻腔內神經元和Gucy1b2、Trpc2兩種基因可以感知空氣中氧氣濃度，原理是低氧情況下小鼠嗅黏膜上的B細胞被激活，Gucy1b2和Trpc2編碼產生酶類物質釋放cGMP信號以及一種特殊離子通道，讓大腦迅速感知氧氣濃度降低。

失活和激活實驗中，科學家發現基因Gucy1b2和Trpc2失活的小鼠，不會區分氧氣水平，也不會表現出躲避低氧區域的行為，從而確定這兩種基因的表達物質能夠感知氧氣，但人體內這兩種基因卻是「假基因」無法表達。

上述兩個研究我們發現，人體內存在與氧氣有關的嗅覺受體和基因，但嗅覺受體為何存在於非嗅覺細胞中？兩種基因為何都為「假基因」？至今都無定論。

同理我們可以說空氣能被動物感知，但只限氧分子濃度。

無法識別空氣氣味的猜測

氣味並不是客觀的存在，人類之所以聞不到空氣的味道，從嗅覺工作原理來看有兩種情況。第一，人類鼻腔內缺少空氣各成分的嗅覺受體，嗅球也沒有綜合空氣氣味的區域；第二，由於生存在空氣中，嗅覺中樞神經對空氣各成分形成了嗅覺疲勞，不再向大腦發送氣味信號。

對於嗅疲勞，古人曾有過「久居蘭室不聞其香，久居鮑市不聞其臭」的描寫，估計人們認為空氣沒有氣味也是同理。

小結

通過小鼠能識別空氣中氧氣濃度和人體內存在與氧氣有關的嗅覺受體研究，我們猜測動物曾經具有識別空氣氣味的能力。

但從始至終，嗅覺的存在和發展都是為了讓動物在尋找食物、判斷危險時得到幫助，在自然選擇中，識別空氣氣味不僅沒有任何意義，還會擾亂判斷，降低競爭優勢，因此不去識別空氣氣味成為最優解。

或許，對某些不以氧氣為必需氣體的外星人來說，我們認為的「清新空氣」很臭。