Zapach kawy składa się z 40 różnych związków chemicznych podróżujących w powietrzu. Jak to się dzieje, że w naszym mózgu składają się w jedną całość? Naukowcy nadal nie są pewni. Ale już uczą sztuczną inteligencję rozpoznawania i komponowania zapachów. O naszych nosach i tych elektronicznych opowiada Marta Siembab.
Uwielbiamy zapach kawy i świeżego pieczywa. Większość z nas ma swoje ulubione perfumy, ale na co dzień nie zastanawiamy się, jak działa zmysł węchu.
Wciąż niewiele o tym wiemy. Koncepcje, które istniały, zanim mogliśmy przyjrzeć się dokładniej budowie nosa i mózgu, okazały się chybione. Pierwszym i najdłużej obowiązującym pomysłem na to, jak działa zmysł węchu, jest teoria klucza i zamka. Mówi ona, że każdy związek chemiczny ma swój kształt i jak trafi do nosa, przyczepia się do konkretnej liczby receptorów węchowych w konkretnej kombinacji. Te z kolei wysyłają do mózgu informację, co to jest za związek chemiczny. Natomiast już sam fakt, że istnieje coś takiego jak chiralność, to znaczy skrętność cząsteczek, pokazuje nam, że ta teoria się nie potwierdza. Na przykład związek chemiczny zwany karwon występuje w dwóch odmianach (enancjomerach, czyli cząsteczkach o identycznej budowie, lecz różniących się skrętnością): cząsteczka prawoskrętna pachnie kminkiem, a lewoskrętna miętą. Ta teoria bardzo fajnie sprawdzała się jeszcze przed rewolucją przemysłową, gdy było mało syntetycznych związków chemicznych. Tymczasem przemysł zapachowy wciąż pracuje nad tym, żeby było ich coraz więcej, pachnących w sposób zaskakujący i niespotykany. A nasz nos pozostaje wciąż taki sam, powierzchnia nabłonka węchowego się nie zmienia.
Mimo że jest rok 2020, nie wiemy, jak działa zmysł węchu. Biofizyk Luca Turin dwie dekady temu wysnuł tzw. teorię wibracyjną. Uznał, że zapach cząsteczek zależy od ich wibracji. Pokładano w tej koncepcji wielkie nadzieje. Ale ma ona słaby punkt – gdyby była prawdziwa, w nosie musiałaby się znajdować jakaś struktura na wzór przyrządu mierzącego częstotliwość tych drgań. Do tej pory jej nie znaleziono.
Podczas gdy zmysł węchu jest niezbadany, to o samych zapachach wiemy więcej. Co masz na myśli, mówiąc o cząsteczkach?
Rzeczywiście warto to doprecyzować. Cząsteczka czy molekuła to potoczne określenia, precyzyjnie mówimy o związkach chemicznych. Weźmy na przykład linalol. Jest on związkiem o ustalonej budowie, który znajduje się w wielu różnych roślinach – w większości owoców cytrusowych, w róży, w lawendzie i tak dalej. Natomiast sama róża składa się już z kilkudziesięciu związków chemicznych. Gdy wąchamy kawę, na to doznanie zapachowe składa się ponad 40 różnych substancji lotnych. Perfumiarze, pracując z syntetykami, używają nie tylko pojedynczych związków, lecz także baz i akordów, które są połączeniem kilku, kilkunastu, lub kilkudziesięciu elementów. Perfumy to z reguły kilkadziesiąt do stukilkudziesięciu różnych związków chemicznych. Do tego pojedyncze molekuły różnią się między sobą, gdyż ich rozmiary są mniejsze lub większe W zależności od wielkosci różnią się lotnością, czyli tym, jak szybko trafiają do nosa, i jaką mają trwałość, czyli jak długo jesteś w stanie je wyczuć. Gdybyś mogła zobaczyć wszystkie unoszące się w powietrzu związki chemiczne, to każdy z nich miałby niepowtarzalny kształt. Gdybyśmy oznaczyli je kolorami (choć zabrakłoby nam kolorów), w powietrzu byłoby ich pełno. Cały czas w sposób niekontrolowany wpadają nam do nosa i usuwają się z niego. Wzrok możemy skupić na konkretnym przedmiocie, ale nie możemy zdecydować, że czujemy tylko jeden zapach w danym pomieszczeniu.
To fascynujące, że wyłapujemy tyle różnych związków i składamy je w konkretne zapachy właściwie bez wysiłku.
Nasz zmysł węchu potrzebuje określonej liczby cząsteczek, żeby wyczuć zapach w powietrzu. np. 100 tys. na litr powietrza. Każdy zapach składa się też z konkretnych proporcji. Bardzo dobrze to widać w różnicach między zapachami owoców cytrusowych. Limonka, grejpfrut biały, grejpfrut różowy, klementynka, mandarynka, pomarańcza – wszystkie są pozornie do siebie podobne, a jednak rozróżniamy je bez problemu. Pojedyncze wrażenia płynące z zapachu cytrusów możemy opisać jako świeże, jasne, orzeźwiające, odrobinę kwaśne, słodkie i gorzkie. Dużo gorzkiego, dużo świeżego, mało słodkiego to różowy grejpfrut, a trochę więcej słodkiego, trochę więcej kwiatowego – biały grejpfrut itd. Nasza głowa widzi te proporcje. Można się też tego nauczyć. Jeśli ktoś nigdy w życiu nie czuł zapachu kumkwatu, jak go poczuje i usłyszy, jak się nazywa ten owoc, będzie mógł go zapamiętać. Są osoby, które zapamiętają zapach po jednym powąchaniu, ale są i takie, które potrzebują powąchać go sto razy. Mamy różne predyspozycje do zapamiętywania zapachów. To tak jak z uczeniem się języka obcego. Tę wiedzę możemy gromadzić i poszerzać naszą świadomość zapachową.
Naukowcy przekładają te dane także na język matematyki i uczą roboty rozpoznawania zapachów. W jakim celu?
Sztuczna inteligencja (z ang. artificial intelligence, AI) ma nas wyręczać w wielu różnych sprawach. W tych, którymi nie chce nam się zajmować, ale też w tych, których nie potrafimy zrobić ze względu na ograniczenia ludzkiego węchu. AI przerabia większą liczbę danych w krótszym czasie. Buduje się m.in. elektroniczne nosy wyspecjalizowane w diagnozowaniu różnych chorób i dąży się do tego, żeby były one coraz bardziej przystępne cenowo. Każdy z nas będzie mógł kiedyś mieć nos elektroniczny, tak jak dziś termometr do mierzenia temperatury. Takie urządzenie to nic innego jak chromatograf gazowy, który dokonuje analizy widma produkowanego przez poszczególne związki chemiczne. Wyczuje na przykład tlenek węgla w pomieszczeniu, związki siarki albo wykaże obecność związków chemicznych, które pojawiają się przy kwasicy ketonowej, jeśli ktoś choruje na cukrzycę. Część złośliwych nowotworów skóry też wydziela lotne substancje, które mają zapach. Ich stężenie jest zbyt niskie dla ludzkiego nosa, ale już na przykład pies potrafiłby wywąchać czerniaka. Podobnie część nowotworów płuc może być wywąchana z oddechu. Wyobraźmy sobie, że jesteś w grupie ryzyka nowotworu, który wydziela swoje związki lotne mające zapach. Wystarczyłoby małe urządzenie i odpowiednie oprogramowanie na smartfon, by rano, po dmuchnięciu w to urządzenie tak jak w alkomat, dostać na telefon raport mówiący o tym, czy pojawiło się coś niepokojącego, czy nie powinnaś pójść do lekarza. To niedaleka przyszłość.
Czy elektroniczne nosy są już używane w praktyce?
Duże laboratoryjne chromatografy gazowe służą np. firmom robiącym podróbki perfum do badania składu zapachów, które odniosły komercyjny sukces. Słabością elektronicznego nosa jest to, że powie ci, czy taki związek występuje w mieszaninie, tylko jeśli wie, jakiego związku szukać.
Czyli musi mieć go wpisanego do swojej pamięci?
Dokładnie. Dlatego też marki perfumiarskie często wykupują od producentów substancji zapachowych patent na związki, wokół których zbudowane są przynoszące zyski kompozycje. Po paru latach patent się kończy i molekuła jest ogólnodostępna. Można ją kupować do innych kompozycji, ale to już zawsze jest tylko naśladownictwo. Mówimy wtedy: „Ten zapach pachnie jak…”.
Sztuczną inteligencję wykorzystuje się też do tworzenia kompozycji perfum. Jak w przypadku She Was an Anomaly marki Etat Libre d’Orange.
O tym, jak dokładnie powstały te perfumy, nie mówi się dużo. W tej chwili najważniejsze narzędzia AI do projektowania zapachów to Carto (Givaudan) i stworzona przez IFF i IBM Philyra. Urządzenia sprawdzają połączenia składników, podpowiadają nowe, ostrzegają przed tymi niebezpiecznymi. Lecz branża jeszcze nie do końca zdecydowała się, czy użycie AI będzie działało na korzyść produktu jako pozytywny wyróżnik, czy nie. Jednak jak już wspomniałam, sztuczna inteligencja potrafi szybko przetwarzać dane. Dlatego dąży się do tego, żeby była w perfumiarstwie takim zawsze gotowym do pracy asystentem, który się nigdy nie męczy, nie nudzi i można mu dać najbardziej żmudne zadanie. „Przejrzyj 100 tys. formuł i pokaż, jakie połączenia pojawiały się najczęściej oraz takie, których jeszcze nikt nie wymyślił”.
Może wymyślił, tylko były nieładne?
Bywa i tak. Pewnie wiele z tych rozwiązań jest niezbyt przyjemna dla nosa, dlatego cały czas potrzebny jest człowiek. Zresztą zwykle perfumiarz i ewaluator zapachu to są dwie różne osoby. Możemy korzystać z pomocy AI, ale ona nadal potrzebuje człowieka, ludzkiej emocjonalności. Maszyna tylko nam podpowiada możliwe rozwiązania.
Marta Siembab - senselierka-niezależna ekspertka przekazująca wszechstronną wiedzę związaną ze zmysłem węchu.