Наука о запахе дождя

Вы знаете этот запах. Он появляется каждый раз, когда первые крупные капли дождя ударяются о землю — характерный землистый аромат, который наполняет воздух, аромат, говорящий о смене времён года и обещающий облегчение от удушающей летней жары. У запаха дождя есть даже название: «петрикор», поэтическое сочетание греческих слов «petros» (камень) и «ichor» (кровь богов в греческой мифологии).

Петрикор: запах дождя. Но что его вызывает?

Термин «петрикор» был придуман австралийскими учёными Изабель Беар и Диком Томасом в 1964 году в статье, которая стала, пожалуй, первой серьёзной научной попыткой объяснить это явление. Дуэт использовал это слово для обозначения масла, которое они дистиллировали из образцов почвы и растительности, выдержанных до года на открытом воздухе и при дневном свете, но защищённых от дождя. Они обнаружили, что масло содержит сложную смесь летучих органических соединений.

Один вопрос, оставшийся без ответа у Беар и Томаса, касался происхождения этих соединений, и последующие исследования сосредоточились на одном конкретном веществе — летучем бициклическом спирте под названием геосмин. Это соединение было выделено через год после статьи Беар и Томаса, и его название буквально означает «земляной запах». Наряду с другим летучим органическим соединением под названием 2-метилизоборнеол (или 2-MIB), геосмин в первую очередь отвечает за характерный запах земли — и оба они вносят огромный вклад в запах дождя.

Райан Басби, эколог из Инженерного корпуса армии США, рассказал Popular Science, что эти соединения существуют в почве по всему миру и выбрасываются в воздух всякий раз, когда почва подвергается воздействию.

«[Соединения] накапливаются в порах почвы, — объясняет Басби. — Возможно, происходит некоторое связывание с частицами почвы. [И] исследования показали, что удар капель о поверхность почвы приводит к высвобождению летучих веществ в атмосферу».

Откуда же берутся геосмин и 2-MIB? Басби говорит, что, хотя источник обоих соединений остаётся предметом активных исследований, текущий научный консенсус заключается в том, что они выделяются почвенными бактериями.

Различное соотношение этих двух соединений может объяснить, почему запах слегка отличается в разных местах.

«Геосмин довольно постоянен в окружающей среде, тогда как 2-MIB более изменчив. [Там, где присутствует 2-MIB], он выделяется в гораздо более высоких концентрациях, поэтому есть области с огромными концентрациями, а есть места, где его вовсе нет», — говорит Басби. Другие компоненты, составляющие петрикор — мириады менее сильных растительных летучих веществ, а также, возможно, характерный едкий запах озона, сопровождающий молнии, — варьируются от места к месту.

Люди удивительно чувствительны к запаху геосмина в частности. В воде его можно обнаружить в концентрациях всего 4 нг/л, что эквивалентно примерно одной чайной ложке на 200 олимпийских бассейнов. Басби говорит, что существует несколько теорий, почему это так.

«Одна [теория] заключается в поиске источников воды, — объясняет он. — Геосмин, по-видимому, более распространён во влажных, плодородных почвах». Наличие влажной почвы означает наличие воды, и легко понять, как способность уловить запах геосмина на ветру и проследовать к источнику воды давала ценное эволюционное преимущество.

По словам Басби, не только люди полагаются на запах этих летучих соединений для поиска воды. «Верблюды могут учуять геосмин и найти оазисы в пустыне с расстояния 50 миль. Комары используют его, чтобы находить стоячие пруды для откладки яиц, а еноты используют его, чтобы находить черепашьи гнёзда и зарытые яйца».

Но хотя запах геосмина и 2-MIB нам приятен, их вкус — полная противоположность. «Это довольно забавно, — размышляет Басби. — Мы любим запах, но ненавидим вкус». В воде эти соединения отвечают за затхлый, плесневелый привкус, который указывает на то, что воду небезопасно пить. Басби говорит: «Всякий раз, когда вы пьёте воду и думаете: "О, она на вкус как озерная вода", это происходит потому, что эти соединения растворены в том, что вы пьёте».

Опять же, скорее всего, здесь есть эволюционная причина: одно дело, когда почва вокруг источника воды пахнет бактериями, но если сама вода несёт характерный затхлый запах геосмина и 2-MIB, она, скорее всего, несёт и потенциал для желудочно-кишечных расстройств. Басби говорит, что это объясняет, почему геосмин и 2-MIB являются «основными загрязнителями питьевой воды по всему миру».

Однако здесь остаётся один без ответа вопрос: почему геосмин и 2-MIB вообще существуют? Как отмечает Басби, хотя ясно, что «для нас есть ряд применений геосмина, мы не уверены, почему именно [бактерии] производят его в таких количествах. Производство такого химического вещества требует [больших] энергетических затрат». Так зачем почвенным бактериям вырабатывать геосмин и 2-MIB? Что им от этого?

Статья, опубликованная в Nature Microbiology в 2020 году, предложила возможный ответ. Исследование изучало взаимодействие между Streptomyces — одной из разновидностей бактерий, производящих геосмин и 2-MIB, — и мелкими существами, называемыми ногохвостками. (Ногохвостки — это одна из трёх разновидностей шестиногих членистоногих, которые не считаются насекомыми, и они любят полакомиться бактериями.) Важно отметить, что исследователи обнаружили, что у изученных бактерий геосмин и 2-MIB вырабатывались только теми колониями, которые также производили репродуктивные споры. Фактически, они могут вырабатываться только этими специфическими колониями: «Гены синтаз геосмина и 2-MIB находятся под прямым контролем факторов транскрипции, специфичных для споруляции, что ограничивает выброс одорантов спорулирующими колониями», — объясняется в статье.

Ногохвостки привлекаются геосмином и 2-MIB, поэтому неудивительно, что, прибыв к колониям, источающим запах, они с удовольствием угощались вкусной микробной закуской. При этом они также поглощали бактериальные споры. Затем споры проходили через пищеварительный тракт ногохвостки и выходили с другой стороны, готовые к действию.

Басби говорит, что это может также объяснить, почему запах дождя сильнее всего, когда он попадает на сухую почву. «По мере высыхания почвы бактерии переходят в состояние покоя, и [в этот момент] происходит всплеск выброса. Так что в этом отношении [соединения] — это способ привлечь кого-то, кто, возможно, перенесёт [бактерии] в более благоприятную для роста среду».

Может показаться, что поэтическая привлекательность петрикора несколько уменьшается от открытия, что столь выразительный запах дождя, скорее всего, существует для того, чтобы побудить кучку крошечных членистоногих испражняться бактериальными спорами. Но в конечном счёте это ещё один пример того, как природа находит выход — коэволюционные отношения, напоминающие пчёл и пыльцу, и отношения, которые приносят пользу и всем нам.

Поэтому в следующий раз, когда дождь пойдёт на сухую почву, подумайте о крошечных бактериях, которые одновременно ведут нас к воде и останавливают нас от питья из источников, которые могут нам навредить.