ฆาณศาสตร์ และเทคโนโลยีของกลิ่น

คนเราใช้หู ตา จมูก ลิ้น และผิวหนังเป็นประสาทสัมผัสในการรับรู้โลกภายนอก เช่น ใช้หูฟังเสียง ใช้ตามอง ใช้ลิ้นลิ้มรส ใช้จมูกดมกลิ่น และใช้ผิวหนังสัมผัสสภาพแวดล้อม แม้เราจะใช้อวัยวะทั้ง 5 นี้บ่อยครั้งไม่เท่ากันในแต่ละวัน แต่ทุกคนก็รู้ว่าทุกอวัยวะมีความสำคัญจนเราขาดมันไม่ได้ (ถ้าขาดอวัยวะหนึ่งใดก็อาจจะนับได้ว่าเป็นคนพิการ) และเมื่อวันเวลาผ่านไป สมรรถภาพในการทำงานของทุกอวัยวะจะเสื่อมลงๆ แต่จมูกซึ่งใช้ดมกลิ่นนับว่ามีสมรรถนะในการทำงานเสื่อมช้าที่สุด กระนั้นก็มีคนประมาณร้อยละ 2 ที่มีจมูกบอด คือดมกลิ่นอะไรๆ ไม่ได้เลย

ในอาณาจักรอียิปต์ เมื่อ 6,000 ปีก่อนแพทย์นิยมรักษาคนไข้โดยให้ดมยาฆ่าเชื้อรา ชนชาว Assyrian เมื่อ 5,000 ปีก่อน โปรดปรานการเผากำยานในวิหาร เวลาทำพิธีบวงสรวงเทพเจ้า โดยเฉพาะในมหาวิหารแห่งกรุง Babylon ที่มีเทศกาลการเผาเครื่องร่ำที่หนักถึง 30 ตัน เมื่อ Howard Carter เปิดโลงพระศพของฟาโรห์ Tutankhamun ในปี 1922 เขาได้กลิ่นพระสุคนธ์โชยมา คนจีนโบราณเชื่อว่า กลิ่นเน่าเสียสามารถทำให้คนล้มป่วยไม่สบายได้ ในทำนองตรงข้ามกลิ่นหอมจะทำให้ผู้คนมีสุขภาพกายและใจดี ตำราอายุรเวชของแพทย์อินเดียในสมัยพุทธกาลกล่าวถึงการใช้กลิ่นสมุนไพรในการบำบัดโรค แพทย์กรีก Pedanius Dioscorides เมื่อ 1,950 ปีก่อนได้กล่าวถึงเครื่องหอมว่าสามารถรักษาอาการป่วยของคนไข้ได้อย่างมหัศจรรย์

เมื่อกลิ่นมีความสำคัญเช่นนี้ คนโบราณจึงพยายามเดินทางค้นหาวัสดุหอมนานาชนิดจากทั่วโลกมาใช้และขาย อาทิเช่น ยางไม้หอมในดินแดนอาหรับ การบูรในจีน อบเชยในอินเดีย พริกไทย กานพลู และลูกจันทน์เทศจากอินโดเนเซียเพื่อนำไปเผยแพร่ในยุโรป เป็นต้น จนทำให้คนยุโรปนิยมใช้กลิ่นหอมในการพัฒนาคุณภาพชีวิตของตนในรูปของน้ำหอม เช่น น้ำหอมดอกกุหลาบจาก Bulgaria ที่ขายในราคากิโลกรัมละ 4 แสนบาท การที่มีราคาแพงมากเช่นนี้ เพราะจำเป็นต้องใช้คน 400 คนเก็บดอกกุหลาบให้ได้ 3 ตันในยามเช้าตรู่ ภายในเวลา 2 ชั่วโมงนับตั้งแต่พระอาทิตย์ขึ้น เพราะเชื่อกันว่าในช่วงเวลาดังกล่าว กุหลาบจะให้น้ำหอมกลิ่นดีที่สุด

ความรู้ทั่วไปที่เป็นวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความสามารถของมนุษย์ในการดมกลิ่นคือ จมูกผู้หญิงไวกว่าจมูกผู้ชาย แต่ในเวลามีประจำเดือน ความไวในการรับกลิ่นของเธอจะลด และการสูบบุหรี่จะทำให้จมูกผู้ชายรับกลิ่นบางชนิดได้ยาก นอกจากนี้นักจิตวิทยาก็รู้ว่า กลิ่นสามารถควบคุมอารมณ์ได้บ้าง เช่น กลิ่นมะนาวจะทำให้คนมีอารมณ์ผ่อนคลาย กลิ่นดอก lavender ทำให้คนที่เป็น migraine มีอาการทุเลาลง และคนที่นอนไม่หลับจะหายเป็นปกติ เวลาได้กลิ่นเน่าตามปกติทุกคนจะอุดจมูกและรีบเดินหนี เพราะสมองส่วนที่เรียกว่า amygdala จะทำงานร่วมกับสมองส่วนที่เป็นศูนย์ความจำ (hippocampus) ในการกำกับปฏิกิริยาตอบสนองของร่างกายต่อกลิ่นเน่าให้อยู่ห่างๆ กลิ่นยังช่วยให้คนบางคนสามารถระลึกเหตุการณ์ที่เกิดในอดีตมากๆ ได้ด้วย

คำถามที่นักวิทยาศาสตร์สนใจคือ สมองคนรับรู้กลิ่นต่างๆ ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์สองคนแรกที่ตอบคำถามนี้ได้คือ Richard Axel กับ Linda Buck แห่งศูนย์วิจัย Fred Hutchinson Cancer Research Center ที่เมือง Seattle ในรัฐ Washington ของสหรัฐอเมริกา ซึ่งได้พบกลไกการทำงานของยีนในการรับรู้กลิ่น และผลงานนี้ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสรีรวิทยาประจำปี 2004

สำหรับประวัติโดยย่อของคนทั้งสองคือ Axel เป็นอาจารย์ ส่วน Buck เป็นศิษย์ที่ได้ทำงานร่วมกันที่มหาวิทยาลัย Columbia ใน New York City ประเทศสหรัฐอเมริกาและสนใจปริศนาว่าสมองมนุษย์สามารถบอกชนิดของกลิ่นที่โชยมาในอากาศได้อย่างไร

ในผลงานที่ตีพิมพ์ในวารสาร Cell เมื่อปี 1991 นักวิจัยทั้งสองได้บรรยายเรื่องการพบตัวรับรู้กลิ่น (olfactory receptor) ซึ่งเป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เปลี่ยนกลิ่นเป็นสัญญาณไฟฟ้าให้สมองสามารถตระหนักได้ว่า มันเป็นกลิ่นอะไร

โดยตัวรับรู้กลิ่นที่ว่านี้จะแฝงตัวอยู่ที่ผิวเซลล์ประสาทซึ่งอยู่ด้านหลังของโพรงจมูก เมื่อโมเลกุลของกลิ่นผ่านตัวรับรู้ ตัวรับรู้จะจับโมเลกุลของกลิ่นนั้นเพื่อนำไปกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาชีวเคมีเป็นกระแสสัญญาณในเซลล์ประสาทเพื่อส่งข้อมูลของกลิ่นนั้นไปจนถึงสมอง


ในงานวิจัยที่ทดลองใช้หนู Axel กับ Buck ได้พบว่า ยีนที่ใช้ในการทำงานนี้มีประมาณ 1,000 ยีน (G protein-coupled receptor) ซึ่งมีจำนวนมากจนทุกคนคาดไม่ถึง เพราะในการเห็น ตัวรับรู้ที่ใช้มีแค่ 3 ชนิดเอง คือ แดง เขียว น้ำเงิน และนักชีววิทยาทุกคนรู้เรื่องนี้มาตั้งแต่ปี 1986 แต่ในกรณีกลิ่นไม่มีใครรู้เกี่ยวกับตัวรับรู้กลิ่นเลย การทดลองในเวลาต่อมาได้แสดงให้เห็นว่า ตัวรับรู้กลิ่นในจมูกคนมีประมาณ 350 ตัวเท่านั้น และในการรับรู้กลิ่น คนทั้งสองได้พบว่า กลิ่นแต่ละกลิ่นจะกระตุ้นการทำงานของเซลล์ประสาทในลักษณะต่างๆ กัน ทำให้สมองในภาพรวมสามารถจำแนกกลิ่นหอมจากกลิ่นเหม็นได้ และสามารถแยกแยะกลิ่นที่แตกต่างกันได้ถึง 10,000 กลิ่น เพราะเซลล์แต่ละเซลล์ในโพรงจมูกมีตัวรับรู้กลิ่นเพียงชนิดเดียว แต่เมื่อทำงานร่วมกันความสามารถในการรับรู้จึงมากตาม

เพราะกลิ่นมีบทบาทมากในการดำรงชีวิตของมนุษย์ ทั้งในการเสริมสร้างสุขภาพทางกายและทางจิตใจ เทคโนโลยีของกลิ่นจึงกำลังเป็นธุรกิจที่สำคัญมากธุรกิจหนึ่ง เช่น ธุรกิจน้ำหอม และเครื่องหอม รวมถึงเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรมศาสตร์ก็กำลังมีบทบาทในการสร้างกลิ่นดอกไม้ให้มีกลิ่นและสีที่ไม่เป็นธรรมชาติ รวมถึงการมีธุรกิจ “จมูก” อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้รับรู้กลิ่นต่างๆ ที่จมูกมนุษย์มไม่สามารถรับรู้ได้ด้วย

กลิ่นต่างๆ ที่มีในน้ำหอม สบู่ ดอกไม้ เครื่องหอม ฯลฯ ล้วนมาจากโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่นักเคมีสามารถสกัดได้จากพืช (หรือสัตว์ เช่น ชะมด) เช่น กลิ่นกุหลาบ มีโมเลกุลหลักคือ phenyl ethyl alcohol ดังนั้นเวลาโมเลกุลเหล่านี้ โชยมาในอากาศผ่านเข้าเครื่องกรองที่ทำด้วยถ่านหรือ silica โมเลกุลจะถูกดูดเข้าไปติดเครื่องกรอง จากนั้นก็จะนำไปผ่านอุปกรณ์ gas chromatograph เพื่อแยกโมเลกุลกลิ่นออกมา เมื่อได้กลิ่นที่ต้องประสงค์แล้ว นักเคมีก็จะพยายามสังเคราะห์โมเลกุลเหล่านั้น ขึ้นมาในปริมาณมาก และในเวลาเดียวกันก็จำเป็นต้องทดสอบพิษสภาพของโมเลกุลนั้นด้วย รวมถึงรู้ลักษณะการสลายตัวของโมเลกุลกลิ่นด้วยว่า ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่นๆ อย่างไร จากนั้นก็เก็บข้อมูลกลิ่นเหล่านี้ลงบันทึกในศูนย์ข้อมูล

ปัจจุบันนักเคมีในห้องปฏิบัติการกลิ่น นิยมนำข้อมูลโมเลกุลอินทรีย์ที่ให้กลิ่น มาสังเคราะห์เป็นโมเลกุลใหม่ เพื่อจะได้กลิ่นใหม่ ดังนั้นอุตสาหกรรมกลิ่นปัจจุบันและอนาคตจึงกำลังใช้เทคนิคเคมีผสมผสาน (combinatorial chemistry) มากขึ้น เพื่อสร้างน้ำหอมและสร้างกลิ่นอาหารที่ทำให้คนเวลาได้กลิ่นมีอาการหิว รวมถึงการสร้างกลิ่นที่ลบล้างกลิ่นอันไม่พึงประสงค์ เช่น กลิ่นห้องน้ำ เป็นต้น

ด้านนักพันธุวิศวกรรมศาสตร์ก็กำลังสนใจการสร้างดอกไม้ที่มีกลิ่นไม่เป็นไปตามธรรมชาติของมัน เช่น รู้ว่า สาร terpenoid เป็นโมเลกุลที่ให้กลิ่น และ gene สำหรับ enzyme นี้มีชื่อว่า limonene synthase ซึ่งถ้าถูกนำเข้าไปตัดต่อในเซลล์ของดอกไม้ เช่น ดอกกุหลาบจะทำให้ดอกกุหลาบมีกลิ่นมะนาว (แต่จะมีใครต้องการดอกกุหลาบที่มีกลิ่นมะนาวบ้าง นั่นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง)

ด้านนักวิจัยที่บริษัท Florigene ใน Melbourne ประเทศออสเตรเลียได้ประสบความสำเร็จในการนำ enzyme ชื่อ flavonoid -3’ -5’ hydroxylase จากดอก petunia ใส่ไปในต้น carnation ทำให้ได้ดอกสีฟ้า กระนั้นก็ยังไม่มีใครทำดอกกุหลาบสีฟ้าไม่ได้ และทำได้ เราก็คงต้องเปลี่ยนคำกลอน “roses are red…” เป็น “roses are blue…” แทน)

เพราะจมูกของคนใช่ว่าจะสามารถดมกลิ่น และแยกแยะกลิ่นได้ทุกกลิ่น ดังนั้น ในบางกรณีเราก็จำเป็นต้องใช้จมูกอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อช่วยในการวิเคราะห์กลิ่น

โดยเฉพาะแพทย์ซึ่งใช้จมูกในการวิเคราะห์บางโรคของคนไข้ได้ ในเหมือง เวลามีแก๊ส methane ที่ลุกไหม้ง่ายมาก ถ้า methane ได้รับประกายไฟ แม้แต่เพียงน้อยนิด เหมืองก็อาจระเบิดได้ ก่อนปี 1815 เขาจะใช้นก canary เป็นตัวรับรู้ เพราะมันจะตายทันที เวลาได้รับแก๊สคาร์บอนมอนออกไซด์ และ methane ปัจจุบันคนเหมืองใช้จมูก electronics ซึ่งมี polymer ที่นำกระแสไฟฟ้าได้ดี (polymer เป็นโมเลกุล 1 มิติที่โยงกันเป็นเส้น) เหมือนตัวรับรู้โปรตีนในจมูกคน

โดยการใช้ตัวรับรู้ที่มีความสามารถต่างๆ กันหลายตัว จมูกอิเล็กทรอนิกส์ก็สามารถรับรู้การโชยมาของโมเลกุลต่างๆ ชนิดได้ สัญญาณไฟฟ้าที่จมูกวิทยาศาสตร์ได้รับก็จะถูกส่งเข้าเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์ว่า เป็นโมเลกุลอะไร มาจากสารอะไร

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบันได้รับการพัฒนาไปมาก เช่น อาจมีการเคลือบด้วยสารสี fluorescent ที่ปลายของใยแก้ว ทำให้มีความไวในการรับรู้สารเคมีที่มาจากโมเลกุลกลิ่น เพราะข้อมูลของสีที่เปลี่ยนจะถูกส่งผ่านตามใยแก้วนำแสงเข้าสู่เครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์

อุตสาหกรรมทำเหล้าองุ่นและผลิตเบียร์ก็ต้องพึ่งพาอาศัยจมูกอิเล็กทรอนิกส์เช่นกัน เพราะจมูกคนอาจทำงานได้ไม่คงเส้นคงวาหรืออาจชา จนทำงานผิด เพราะเหนื่อยล้า ที่ได้รับกลิ่นมากเกินไป

ไม่เพียงแต่มนุษย์เท่านั้นที่ใช้จมูกดมกลิ่นเพื่อการดำรงชีวิตอย่างมีคุณภาพ สัตว์ก็ใช้จมูกมากเช่นกัน เพื่อหาอาหาร และเลือกวัสดุมาทำรัง เช่น เวลาท่อลำเลียงน้ำมันรั่ว ฝูงแร้งหัวแดงจะบินตรงไปที่ตำแหน่งน้ำมันรั่วจากท่อ เพราะกลิ่นที่ระเหยออกมาจากท่อน้ำมัน มาจากของเหลว ethyl mercaptan ซึ่งมีกลิ่นเหมือนเนื้อเน่าที่แร้งชอบกิน ดังนั้นเวลาเห็นแร้งแดง ณ ที่ใด บริเวณนั้นจะมีน้ำมันรั่ว

ในปี 2008 B. Bang แห่ง Woods Hole Marine Biological Laboratory ที่รัฐ Massachusetts สหรัฐอเมริกาได้พบความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของอวัยวะรับกลิ่นในสมองนกกับขนาดของสมองทั้งก้อน การวัดสมองโดยใช้นก 150 ชนิด ทำให้ได้ข้อสรุปว่า สำหรับนกเล็กที่อาศัยอยู่ในป่า สมองส่วนที่ทำหน้าที่รับกลิ่นจะมีขนาดใหญ่ประมาณ 3% ของสมองทั้งหมด แต่ในนกทะเล เช่น albatross และ petrel สมองส่วนที่รับกลิ่นจะใหญ่ถึง 37% ของสมองทั้งหมด ดังนั้น นกที่มีขนาดใหญ่จึงไม่มีปัญหามากในการหาอาหาร เวลาต้องบินสูง เพราะจมูกของมันสามารถดมสาร dimethyl sulfide ที่แพลงก์ตอนในทะเลขับออกมาได้

ปลา salmon ก็อาศัยจมูกในการดมกลิ่นเวลาว่ายน้ำกลับสู่ถิ่นกำเนิด ในปี 1976 A. Scholz แห่งมหาวิทยาลัย Wisconsin ที่ Madison ได้ให้ salmon ดมกลิ่น morpholine หรือ phenethyl alcohol ตั้งแต่มันยังเป็นตัวอ่อน และพบว่าอีก 2 ปีต่อมา 90% ของปลา salmon สามารถว่ายน้ำกลับมายังถิ่นกำเนิดของมันได้อย่างไม่ผิดพลาด เพราะสมองของปลาสามารถจำข้อมูลกลิ่นน้ำ ที่มันเคยอยู่ได้อย่างแม่นยำ

ด้านยุงก็ชอบกัดคนอ้วนที่ร่างกายมี cholesterol และ steroid ที่ผิวหนังในปริมาณมาก เพราะเวลาคนลักษณะนี้หายใจออก แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และกลิ่นตัวที่มีสารเคมีปนจะดึงดูดยุง ดังนั้นวิธีที่ดีในการป้องกัน คือ หยุดหายใจ (ชั่วคราว) หรืออาบน้ำทำความสะอาดร่างกายให้หมดกลิ่น และไม่ควรทายาบำรุงผิว เพราะกลิ่นหอมของสารเคมีอาจเป็นกลิ่นที่ยุงโปรดปราน

อีกคำถามหนึ่งที่นักชีววิทยา (บางคน) อาจสนใจคือ กลิ่นตัวไดโนเสาร์เป็นอย่างไร

ในการตอบข้อสงสัยนี้ Riley Black ได้เสนอความคิดเห็นใน Scientific Amercian News ฉบับวันที่ 8 มกราคม ปี 2020 ว่า

ใครๆ ก็รู้ว่าตัว Triceratop มีรูปร่างอย่างไร จากการดูลักษณะของโครงกระดูกทั้งหมด ทั้งๆ ที่มันได้สูญพันธุ์ไปตั้งแต่เมื่อ 67 ล้านปีก่อน การศึกษาฟัน เขี้ยว ทำให้รู้ว่ามันกินอะไรเป็นอาหาร ข้อมูลกระดูกขาทำให้รู้ว่ามันวิ่งได้เร็วเพียงใด มีน้ำหนักตัวมากเพียงใด ฯลฯ แต่ก็มีข้อมูลอีกประเด็นหนึ่งที่ยังไม่มีใครรู้ นั่นคือ กลิ่นตัวของไดโนเสาร์เป็นอย่างไร เพราะยังไม่มีใครพบต่อมกลิ่นของมัน

แม้จะไม่เคยได้กลิ่น แต่เราก็รู้ว่ากลิ่นมีความสำคัญในการดำรงชีวิตของไดโนเสาร์ (ทั้ง Tyranosaurus Rex และ Allosaurus) เพราะนกซึ่งเป็น “ทายาท” ของไดโนเสาร์ก็ใช้กลิ่นในการบอกแหล่งอาหาร สัตว์เลื้อยคลาน งู จระเข้ ก็มีต่อมขับสารกลิ่นที่ใช้ในการสื่อสารหาเนื้อคู่ และไล่ศัตรู และเมื่อไดโนเสาร์ก็มีสมอง ดังนั้น สมองส่วนหนึ่งของสมองมันทั้งหมดย่อมมีหน้าที่วิเคราะห์กลิ่นเหมือนสัตว์อื่นๆ ในตระกูลเดียวกัน

การค้นหาฟอสซิลไดโนเสาร์ที่มี protein เลือด ต่อม หรืออวัยวะที่มีคราบของสารเคมีให้กลิ่น ซึ่งถ้าพบก็จะตอบได้ว่าตัวไดโนเสาร์มีกลิ่นอะไร

อ่านเพิ่มเติมจาก Better smelling through genetics โดย A. Keller และ L.B. Vosshall ใน Current Opinion in Neurobiology ปี 2008


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์