Mũi người ngửi được mùi nhờ vài triệu tế bào thần kinh khứu giác nằm trên một mảng niêm mạc nhỏ ở trần hốc mũi. Mỗi tế bào mang một loại thụ thể, người có khoảng 400 loại thụ thể còn hoạt động, và não nhận ra một mùi qua tổ hợp các thụ thể bị kích hoạt, giống như đọc một mã vạch. Phát hiện ra họ gen thụ thể này và cách hệ khứu giác được tổ chức đã mang về cho Richard Axel và Linda Buck giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2004.
Mùi là gì, nhìn từ phía hoá học
Một mùi là một hoặc nhiều phân tử bay được trong không khí, lọt vào mũi và chạm tới thụ thể. Muốn "có mùi", phân tử trước hết phải đủ dễ bay hơi. Phần lớn chất có mùi là phân tử hữu cơ nhỏ, khối lượng phân tử thường dưới khoảng 300. Muối ăn, đường, đá vôi không có mùi vì gần như không bay hơi ở nhiệt độ phòng, chứ không phải vì mũi ta "bỏ sót".
Dễ bay hơi mới là điều kiện cần. Phân tử còn phải khớp với ít nhất một loại thụ thể của người: carbon monoxide bay hơi tốt mà người hoàn toàn không ngửi thấy.
Độ nhạy của mũi chênh lệch khủng khiếp giữa các chất. Geosmin, phân tử tạo ra mùi đất sau cơn mưa và mùi "bùn" trong cá nước ngọt, được nhận ra ở nồng độ chỉ vài nanogam trong một lít nước, tức cỡ vài phần nghìn tỉ. Trong khi đó ethanol phải đậm hơn hàng triệu lần mới bắt đầu ngửi thấy.
Đường đi của một mùi: từ lỗ mũi tới vỏ não
Khi ta hít vào, phần lớn không khí đi thẳng xuống họng. Chỉ một phần nhỏ xoáy lên vùng trần hốc mũi, nơi có biểu mô khứu giác, mỗi bên chỉ cỡ vài centimet vuông. Đây là lý do khi muốn ngửi kỹ, ta hít những hơi ngắn và mạnh: luồng khí xoáy lên cao hơn, nhiều phân tử chạm tới vùng cảm nhận hơn.
| Chặng | Ở đâu | Điều gì xảy ra |
|---|---|---|
| 1. Hoà vào chất nhầy | Lớp nhầy phủ biểu mô khứu giác | Phân tử mùi tan vào lớp nhầy, một số được protein vận chuyển đưa tới thụ thể |
| 2. Gắn thụ thể | Lông nhỏ (cilia) của tế bào thần kinh khứu giác | Phân tử gắn vào thụ thể, kích hoạt chuỗi tín hiệu qua protein G, mở kênh ion |
| 3. Phát xung điện | Sợi trục của tế bào thần kinh | Tín hiệu đi xuyên qua các lỗ nhỏ trên xương sàng lên não |
| 4. Gom về cầu thần kinh | Hành khứu giác | Mọi tế bào cùng loại thụ thể đổ về cùng một vài "cầu" (glomerulus), tạo bản đồ mùi |
| 5. Giải mã | Vỏ não hình lê, hạch hạnh nhân, vỏ não trán ổ mắt | Não nhận ra mùi, gắn cảm xúc, ký ức và đặt tên |
Tế bào thần kinh khứu giác là số ít tế bào thần kinh ở người trưởng thành được thay mới liên tục, vòng đời khoảng một đến hai tháng. Nhờ vậy khứu giác có thể hồi phục sau nhiều loại tổn thương.
Phát hiện năm 1991 và giải Nobel 2004
Tới cuối thập niên 1980, giới khoa học đã đoán rằng mùi phải được nhận diện bằng thụ thể trên màng tế bào, nhưng không ai tìm ra chúng. Linda Buck, khi đó làm nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Richard Axel tại Đại học Columbia (New York), đặt ra ba giả thiết để thu hẹp cuộc săn: thụ thể mùi thuộc họ thụ thể bắt cặp với protein G, có rất nhiều loại khác nhau, và chỉ xuất hiện ở biểu mô khứu giác.
Năm 1991, hai người công bố trên tạp chí Cell việc tìm ra một họ gen khổng lồ mã hoá thụ thể mùi ở chuột, khoảng một nghìn gen. Đó là họ gen lớn nhất trong bộ gen động vật có vú được biết tới vào thời điểm ấy. Những năm sau, hai nhóm nghiên cứu độc lập của Axel và Buck tiếp tục chứng minh rằng mỗi tế bào thần kinh khứu giác chỉ biểu hiện một loại thụ thể, và các tế bào cùng loại thụ thể dù nằm rải rác trong mũi đều gửi sợi trục về đúng một vài điểm trong hành khứu giác.
Ngày 4 tháng 10 năm 2004, Viện Karolinska trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho hai người "vì những phát hiện về thụ thể mùi và cách tổ chức của hệ khứu giác". Linda Buck là người phụ nữ thứ bảy nhận giải ở hạng mục này.
Mã tổ hợp: 400 thụ thể mà phân biệt được rất nhiều mùi
Người có khoảng 400 gen thụ thể mùi còn hoạt động. Thêm vào đó là hàng trăm gen đã hỏng (giả gen), dấu vết của tổ tiên từng dựa vào mũi nhiều hơn. Chuột có khoảng một nghìn gen còn chạy, chó cũng ở mức cỡ đó, nên các loài này "đọc" được nhiều sắc thái mùi hơn ta.
Điều quan trọng là quan hệ giữa phân tử và thụ thể không phải một đối một:
- Một phân tử mùi thường kích hoạt vài thụ thể cùng lúc, với mức mạnh yếu khác nhau.
- Một thụ thể nhận ra nhiều phân tử có nét cấu trúc gần nhau.
- Não không đọc "thụ thể số 17 bật", mà đọc cả tổ hợp thụ thể nào bật, bật mạnh tới đâu.
Cách mã hoá này giải thích vì sao chỉ đổi một nhóm nguyên tử nhỏ, mùi có thể đổi hẳn. Ví dụ kinh điển là carvone. Phân tử này có hai dạng là ảnh gương của nhau, giống tay trái và tay phải. Dạng R ngửi như bạc hà lục (spearmint), dạng S ngửi như hạt carum (caraway), loại hạt hay rắc trên bánh mì đen ở châu Âu. Cùng công thức, cùng khối lượng, chỉ khác chiều trong không gian, mà mũi phân biệt rõ.
Nồng độ cũng làm đổi tổ hợp: indole đậm có mùi phân, pha thật loãng lại góp vào mùi hoa nhài.
Con số "người phân biệt được một nghìn tỉ mùi" từng lan rộng sau một nghiên cứu năm 2014 trên tạp chí Science, nhưng cách tính của nó bị nhiều nhà khoa học phản bác. Chắc chắn chỉ là: nhiều hơn rất xa con số 10.000 sách cũ hay chép.
Ngửi bằng hai đường: phía trước và phía sau
Ta ngửi theo hai lối. Lối thứ nhất quen thuộc: hít qua lỗ mũi. Lối thứ hai đi ngược từ miệng: khi nhai và nuốt, hơi từ thức ăn bốc lên qua phía sau vòm họng rồi vào hốc mũi. Lối sau tạo ra phần lớn cái mà ta gọi là "vị" của món ăn.
Lưỡi chỉ cảm được vài vị cơ bản: ngọt, mặn, chua, đắng, umami. Phân biệt được nước cam với nước dứa, cà phê với ca cao là nhờ khứu giác. Phép thử đơn giản: bịt mũi thật chặt, nhắm mắt, nhờ người đưa cho một viên kẹo trái cây. Bạn sẽ thấy ngọt, thấy chua, nhưng rất khó đoán được vị gì. Thả tay bịt mũi ra, mùi ùa lên và "vị" xuất hiện ngay.
Mát lạnh, cay nồng không phải là mùi
Cảm giác mát của bạc hà, cay xè của mù tạt, rát của amoniac đến từ một hệ thần kinh khác: dây thần kinh sinh ba, chuyên cảm nhận nhiệt độ, đau và kích ứng ở mặt. Menthol làm ta thấy mát vì nó kích hoạt thụ thể TRPM8, chính là thụ thể báo lạnh trên da. Việc tìm ra các thụ thể nhiệt và xúc giác như thế được trao giải Nobel năm 2021 cho David Julius và Ardem Patapoutian. Vì vậy người mất khứu giác vẫn thấy mát khi ngậm kẹo bạc hà dù không ngửi ra mùi bạc hà.
Mỗi người một cái mũi
Bộ gen thụ thể mùi rất đa dạng giữa người với người. Hai người bất kỳ thường khác nhau ở khá nhiều gen trong họ này, nên thế giới mùi của mỗi người không giống hệt nhau.
- Androstenone, một steroid có trong mồ hôi và thịt lợn đực chưa thiến, với người này hôi như nước tiểu, với người kia ngọt như gỗ, với người khác lại không ngửi thấy gì. Năm 2007, một nghiên cứu đã gắn sự khác biệt này với biến thể của gen thụ thể OR7D4.
- Rau mùi: một phần người cảm thấy lá mùi có vị "xà phòng". Các nghiên cứu di truyền tìm thấy mối liên quan với vùng gen chứa thụ thể OR6A2, nhạy với nhóm aldehyde có trong lá mùi. Đây là mối liên quan thống kê, không phải gen duy nhất quyết định.
Ngoài gen, mũi còn được "dạy": người pha nước hoa hay nếm cà phê không có nhiều thụ thể hơn ai, họ giỏi ở khâu chú ý, so sánh và gọi tên.
Tự kiểm tra cái mũi của mình ở nhà
Không cần dụng cụ đặc biệt, bạn có thể làm vài phép thử nhỏ để hiểu khứu giác của mình hơn:
- Thử gọi tên. Nhờ người nhà chuẩn bị năm lọ nhỏ kín đáy, đựng vỏ cam, cà phê xay, đinh hương, lá chanh, hạt tiêu. Nhắm mắt ngửi từng lọ và gọi tên. Phần lớn mọi người ngửi thấy rõ nhưng gọi đúng tên ít hơn mình tưởng. Đó là giới hạn ở khâu ngôn ngữ, không phải ở mũi.
- Thử hai lối ngửi. Bịt mũi ăn một miếng táo rồi một miếng lê. Sau đó thả mũi ăn lại. So sánh.
- Thử thích nghi. Ngửi liên tục một lọ vỏ cam trong một phút, rồi ngửi ngay lọ thứ hai cũng vỏ cam: lọ sau nhạt hẳn. Đó là thích nghi khứu giác, lý do ta không còn ngửi ra mùi nhà mình hay nước hoa mình đang xức. Ra chỗ thoáng vài phút là mũi hồi lại.
Những phép thử này chỉ để hiểu cách mũi làm việc. Nếu bạn nhận thấy mình ngửi kém hẳn đi so với trước, kém một bên mũi, hay ngửi thấy mùi lạ không có thật, hãy đi khám chuyên khoa Tai Mũi Họng thay vì tự kết luận.
Góc nhìn hôm nay: từ thụ thể tới đời sống
Hơn ba mươi năm sau bài báo năm 1991, phần lớn thụ thể mùi của người vẫn chưa được "ghép đôi" đầy đủ với các phân tử mà chúng nhận ra. Đây là một trong những vùng còn mở của sinh học thần kinh. Hiểu được mã mùi sẽ giúp ngành hương liệu thiết kế phân tử mới có chủ đích hơn, giúp ngành thực phẩm làm món ít muối, ít đường mà vẫn ngon, và giúp y học hiểu vì sao giảm khứu giác hay đi trước một số bệnh thần kinh.
Muốn đọc thêm, bài giảng Nobel năm 2004 của Linda Buck và Richard Axel, đăng trên trang của Quỹ Nobel, viết khá dễ theo dõi.
Câu hỏi thường gặp
Con người có bao nhiêu loại thụ thể khứu giác?
Người có khoảng 400 gen thụ thể mùi còn hoạt động, cùng hàng trăm gen đã mất chức năng. Mỗi tế bào thần kinh khứu giác chỉ mang một loại thụ thể. Não nhận ra mùi bằng tổ hợp các thụ thể bị kích hoạt chứ không phải từng thụ thể riêng lẻ.
Giải Nobel 2004 về khứu giác được trao cho ai?
Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2004 được trao cho Richard Axel và Linda Buck vì phát hiện họ gen thụ thể mùi và cách hệ khứu giác được tổ chức. Công trình nền tảng của hai người được công bố trên tạp chí Cell năm 1991, thực hiện trên chuột.
Vì sao bịt mũi lại không nếm được vị thức ăn?
Lưỡi chỉ cảm được vài vị cơ bản như ngọt, mặn, chua, đắng, umami. Phần lớn cái ta gọi là vị thật ra là mùi đi ngược từ miệng lên mũi khi nhai và nuốt. Bịt mũi chặn đường này nên món ăn chỉ còn ngọt hay mặn mà mất đặc trưng.
Vì sao ngửi lâu một mùi thì không còn thấy nữa?
Đó là thích nghi khứu giác: tế bào thụ thể và não giảm phản ứng với một mùi kéo dài không đổi để dành sự chú ý cho mùi mới. Ra chỗ không khí sạch vài phút là độ nhạy hồi lại phần lớn.
Mũi người có kém hơn mũi chó không?
Chó có nhiều gen thụ thể mùi còn hoạt động hơn người, biểu mô khứu giác rộng hơn và cách hít ngửi hiệu quả hơn, nên với nhiều chất chúng nhạy hơn rất nhiều. Tuy vậy, với một số chất cụ thể, người vẫn ngửi được ở nồng độ cực thấp, và khả năng gọi tên, mô tả mùi của người là độc nhất.
