78 Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1997

ZADZIWIENIA

Philip Morrison

Krzemowy smakosz

L

udziom z rozwini´tym zmys∏em
smaku przyjdzie ˝yç w czasach
dziwnych, lecz zarazem cieka-

wych. Producenci przypraw i aromatów
wprowadzajà elektroniczne symulatory
ludzkiego nosa. Te systemy (choç mo˝e
nieco prymitywne), implementowane do
zwyk∏ych komputerów osobistych, stajà
si´ coraz powszechniejsze. Opracowano
ju˝ ró˝ne czujniki, które generujà po-
wtarzalny sygna∏ elektryczny w odpo-
wiedzi na znikome nawet iloÊci pachnà-
cych oparów. (W jednym z pierwszych
tego rodzaju urzàdzeƒ wykorzystano sil-
nie rozgrzane pó∏przewodniki reagujàce
zmianà oporu na osadzenie si´ i utlenie-
nie analizowanych substancji.) Elektro-
nicznym nosom daleko jednak do wspa-
nia∏ej selektywnoÊci ludzkich komórek
w´chowych.

Urzàdzenia te sk∏adajà si´ z niewielu

czujników, z których ka˝dy po swojemu
reaguje na zapachy. Ca∏oÊciowa informa-
cja z nich p∏ynàca mo˝e wi´c byç wy∏o-
wiona dopiero dzi´ki wzajemnemu
uzgodnieniu wielu tzw. Êrednich wa˝o-
nych. Obliczenia te wykonywane sà nie-
zwyk∏à technikà sieci neuronowych, któ-
rych historia si´ga lat szeÊçdziesiàtych,
i opracowanej wówczas maszyny zwanej
perceptronem. Programy dzia∏ajàce w sie-
ciach neuronowych najlepiej uczà si´ po-
przez analiz´ przyk∏adów; nie majà na-
rzuconego rytmu, nie interesujà ich
logiczne ciàgi instrukcji, dopuszczajà na-
tomiast szeroki margines b∏´du i niepew-
noÊci. (Z regu∏y uruchamiane sà jednak
na zwyk∏ych komputerach PC, w progra-
mach symulujàcych sk∏´bione, powiàza-
ne p´tle sprz´˝eƒ zwrotnych – charakte-
rystyczne dla sieci neuronowych.)

Niekiedy konkurencyjne bywajà prost-

sze metody analityczne, na przyk∏ad naj-
czulsze odmiany chromatografii gazowej.
Mo˝na z nich korzystaç wówczas, gdy
problem daje si´ sprecyzowaç w j´zyku
chemii (powiedzmy, stwierdza si´ obec-
noÊç lub brak kilku istotnych pikogramów
trójnitrotoluenu). To dlatego specyficzne,
stosunkowo proste czujniki chemiczne
okaza∏y si´ tak przydatne w wielu syste-
mach zabezpieczajàcych i w przemyÊle.

Jednak niestrudzony, zautomatyzowany
nos najnowszej generacji potrafi ju˝ po
minucie lub dwóch oceniç ca∏à gam´ za-
pachów. Jest trwa∏y i mo˝e byç wykorzy-
stywany do bie˝àcej, 24-godzinnej kon-
troli jakoÊci.

Sieci neuronowe znakomicie spraw-

dzajà si´ podczas identyfikacji z∏o˝onych
zapachów, trudnych do okreÊlenia. Oto
kilka przyk∏adów: elektroniczne nosy ru-
tynowo dziÊ decydujà, czy dana próbka
sera jest akceptowalna jako tilsit, gruy•re
lub cheddar, okreÊlajà Êwie˝oÊç filetów
rybnych (szacujàc, ile dni min´∏o od po∏o-
wu), rozpoznajà subtelnoÊci gatunków
czekolady w oparach roztopionych po-
madek. Ka˝dy program tego typu musi
jednak przedtem zostaç „przeszkolony”
poprzez poszukiwanie decyzji zgodnych
z ustaleniami jury z∏o˝onego z ludzkich
ekspertów. Zatrudniony do przytoczo-
nych zadaƒ krzemowy smakosz z kilku-
nastoma czujnikami potrzebuje oko∏o 30
çwiczeƒ, aby w 9 przypadkach na 10 wy-
daç werdykt identyczny z gronem dwu-
no˝nych specjalistów w´glowych. Podob-
nego stopnia zgodnoÊci nale˝a∏oby zresztà
oczekiwaç przy porównywaniu ustaleƒ
dwóch niezale˝nych zespo∏ów ludzkich.
Czy takie elektroniczne systemy zostanà
kiedyÊ u˝yte do ciàg∏ego Êledzenia zmien-
nych i z∏o˝onych zanieczyszczeƒ miej-
skiego powietrza? Czy prawdziwie
zmyÊlna sieç rozpozna rocznik wina al-
bo trunek z winoroÊli porastajàcych s∏o-
necznà stron´ stoku?

Przeegzaminujmy w∏asne powonienie.

Zróbmy porzàdny wdech. Nos analizuje
teraz powietrze, które zmieÊci∏oby si´
w niewielkiej fili˝ance, a ÊciÊle – wszelkie
wonne jego zanieczyszczenia. Dobrym
przyk∏adem jest nasza umiej´tnoÊç wy-
krywania nieszczelnoÊci instalacji gazo-
wej. Trzeba jednak wiedzieç, ˝e g∏ównym
sk∏adnikiem naturalnego gazu opa∏owe-
go jest ca∏kiem bezwonny metan. Tym,
co zdradza obecnoÊç „gazu”, jest celowo
dodawana substancja o przykrym zapa-
chu, wybrana ze wzgl´du na du˝à, nawet
przy Êladowych st´˝eniach, efektywnoÊç.
(Nawaniaczem jest z regu∏y niewielka czà-
steczka merkaptanu etylu, którà od alko-

holu etylowego
ró˝ni obecnoÊç
siarki zamiast tle-
nu.) Ludzie wy-
krywajà merkaptan nawet w miliardkrot-
nym rozcieƒczeniu powietrzem.

Jednak nasz wdech zawiera niebywa-

∏à mnogoÊç czàsteczek. Za ka˝dym razem
wciàgamy ich mniej wi´cej miliard bilio-
nów; wi´kszoÊç stanowià sk∏adniki mie-
szaniny zwanej powietrzem. Minimalny
wyciek gazu wykryjemy wi´c nie dzi´ki
kilku czàsteczkom merkaptanu – b´dzie
ich raczej oko∏o biliona!

Psi w´ch jest przys∏owiowy i niewàt-

pliwie doskonalszy od ludzkiego, choç
rol´ treningu trudno przeceniç u obu ga-
tunków. Czworonogom, które wspó∏pra-
cujà z policjà, wystarczy cz´sto oko∏o mi-
liarda czàsteczek (tysiàce razy mniej ni˝
cz∏owiekowi), aby wykryç okreÊlone sub-
stancje chemiczne.

Umiej´tnoÊci te jednak blednà w ze-

stawieniu z zadziwiajàcymi mo˝liwo-
Êciami pierzastych czu∏ków owadzich.
Specjalne w∏ókna w narzàdach w´cho-
wych pewnych du˝ych ciem reagujà na
powietrze z domieszkà zaledwie kilkuset
czàsteczek zapachowych. Wirtuozeria ta
nie by∏aby mo˝liwa bez odpowiednio
przygotowanych, wysoce selektywnych
odbiorników i nadajników. Na przyk∏ad
gruczo∏y zapachowe samicy trupiej
g∏ówki produkujà czàsteczk´ sygnaliza-
cyjnà (feromon) o ∏aƒcuchowym szkie-
lecie z∏o˝onym z 16 atomów w´gla. Opo-
wieÊci o gorliwych samcach tego ga-
tunku, które wyczuwajà nawet pojedyn-
cze czàsteczki o w∏aÊciwej budowie, wy-
dajà si´ przesadzone, wiadomo bowiem,
˝e „prawid∏owy” sygna∏ w´chowy mu-
si byç w odpowiedni sposób przerywa-
ny. Pozwala to nadaç komunikat tylko
do wybranej kategorii odbiorców.

Jest niemal pewne, ˝e i z gatunkiem

ludzkim zwiàzane sà pewne feromony.
Do ich detekcji móg∏by s∏u˝yç zawarty
w naszych nosach specjalny, dodatkowy
uk∏ad w´chowy, czynny przede wszyst-
kim podczas ˝ycia p∏odowego i w nie-

DUSAN PETRICIC

KOMENTARZ

Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1997 79

mowl´ctwie. Jednak póêniej pos∏ugujemy
si´ g∏ównie „szerokopasmowymi” detek-
torami, wystarczajàco uniwersalnymi, aby
charakteryzowaç zmienne otoczenie che-
miczne organizmu.

A teraz unieÊmy powiek´. Soczewka

oka wyÊwietli obraz na Êwiat∏oczu∏ym
ekranie – siatkówce. Podobnie przy ka˝-
dym odddechu powietrze omywa pokry-
te Êluzówkà sklepienie jamy nosowej, po-
nad którà znajdujà si´ wyspecjalizowane
narzàdy – tzw. opuszki w´chowe. U doj-
rza∏ego osobnika zawierajà one oko∏o
3 mln komórek receptorowych, które kon-
taktujà si´ z wilgotnà wyÊció∏kà jamy no-
sowej za pomocà cienkich wypustek ner-
wowych zakoƒczonych kilkoma w∏oskami
w´chowymi. Jest to tzw. nab∏onek w´cho-
wy, który bada wszelkie czàsteczki docie-
rajàce doƒ przez wodnistà Êluzówk´. Ka˝-
da komórka receptorowa wysy∏a te˝
w∏asne w∏ókno nerwowe kilka centyme-
trów w gór´. Wiàzki delikatnych „kabel-
ków” przechodzà przez otworki w cien-
kiej p∏ytce kostnej (blaszce sitowej)
i przekazujà impulsy elektrochemiczne
dalej, do tzw. p∏atów w´chowych w
przedniej cz´Êci mózgu.

Informacje w´chowe przetwarzane sà

zupe∏nie inaczej ni˝ wzrokowe; nie ma tu
równie˝ ˝adnych analogii z detekcjà trzech
barw podstawowych w siatkówce oka.
Nerw wzrokowy to gruby, ˝ywy kabel,
którym biegnà miliony pojedynczych sy-
gna∏ów z poszczególnych komórek siat-
kówki. Te wielokrotnie powielane impul-
sy mo˝na Êledziç nawet wewnàtrz mózgu,
dopóki nie osiàgnà warstw wyspecjalizo-
wanych w przetwarzaniu obrazu.

W przypadku zapachów nie istnieje ta-

kie proste przypisanie sygna∏ów. Nie mo˝-
na te˝ wyró˝niç naturalnych „wymiarów”;
usilne próby znalezienia ograniczonej licz-
by podstawowych woni doprowadzi∏y
donikàd. Najnowsze prace sugerujà, ˝e
w nosie znajduje si´ co najmniej 1000 ro-
dzajów komórek w´chowych. Co wi´cej,
wiele z nich potrafi reagowaç na rozma-
ite zapachy. System ten dzia∏a lepiej, ni˝
gdyby zak∏ada∏ czu∏oÊç na pewnà skoƒ-
czonà liczb´ bodêców stymulujàcych kon-
kretne receptory. Neuronalne Êcie˝ki
w p∏atach w´chowych sà wyraênie po-
krzy˝owane i zap´tlone.

Nie znamy jeszcze szczegó∏ów dzia∏a-

nia systemu, który odgaduje najbardziej
prawdopodobne skojarzenia mi´dzy do-
chodzàcymi sygna∏ami i zapachami. Skom-
plikowana sieç neuronalna odpowiedzial-
na za sprawnoÊç tego najstarszego zmys∏u
wydaje si´ jednak dzia∏aç w sposób na-
tychmiastowy, inaczej ni˝ wyspecjalizo-
wane uk∏ady wy˝szego rz´du, które za-
wiadujà percepcjà wzrokowà.

T∏umaczy∏

Robert Ko∏os

SKOJARZENIA

James Burke

Skrzydlaci przyjaciele

KOMENTARZ

C

zytajàc pewnego wieczoru Joh-
na Keatsa Od´ do s∏owika (w koƒ-
cu dlaczegó˝ by nie?), uÊwiado-

mi∏em sobie, i˝ w szkole nigdy nam nie
mówiono, ˝e to nie Anglicy wynaleêli
romantyzm i ˝e wszystko zacz´∏o si´
w XVIII-wiecznych Niemczech od gru-
py naukowców z Weimaru, którzy pa-
rali si´ te˝ piórem i którzy w wi´kszo-
Êci mieli „k∏opoty domowe”. Ludzi
takich jak Goethe (ten ich nie mia∏), Frie-
drich W. J. Schelling (mia∏) oraz bracia
von Schlegel: August i Friedrich (obaj
mieli).

W∏aÊnie August (w którego ˝onie du-

rzy∏ si´ jego brat, dopóki nie uciek∏a
z Schellingiem) sformu∏owa∏ podstawo-
we idee romantyzmu dla wszystkich,
którzy zabrali si´ na ten wózek, nie wy-
∏àczajàc Keatsa. Tak czy owak, w 1804 ro-
ku August zakocha∏ si´ niefortunnie
w królowej sfer plotkarskich, madame
Germaine de Staël, znanej z g∏´boko wy-
ci´tych dekoltów, apodyktycznych sà-
dów na wszelkie tematy oraz tego, ˝e
depta∏a jej po pi´tach francuska policja.

Biedak mia∏ sp´dziç reszt´ swego ˝y-

cia, uganiajàc si´ za damà swego serca
po ca∏ej Europie w charakterze jej pie-
ska salonowego i marzàc, by mia∏a mniej
kochanków. W przerwach mi´dzy nimi
zdà˝y∏a napisaç rozpraw´ o niemieckiej
kulturze, powieÊç „z ˝ycia” oraz nara-
ziç si´ Napoleonowi kilkoma zjadliwy-
mi uwagami o cesarzach. Z tego˝ to w∏a-
Ênie powodu musia∏a umykaç przed
jego s∏u˝bami bezpieczeƒstwa. Los by-
wa przewrotny – Napoleon, ˝ywiàcy do
niej tyle wrogoÊci, swe dojÊcie do w∏a-
dzy w du˝ym stopniu zawdzi´cza∏ jej
ojcu, Jacques’owi Neckerowi, i jego nie-
udolnoÊci w rozporzàdzaniu bud˝etem
Francji w czasach, gdy by∏ ministrem
finansów.

W 1778 roku do Neckera zwróci∏ si´

pewien szwajcarski wynalazca, niejaki
Fran•ois Argand, który opracowa∏ no-
wà metod´ destylacji brandy i w zamian
za jej udost´pnienie chcia∏ uzyskaç dla
siebie monopol na po∏udniu Francji.
Necker wyrazi∏ na to zgod´, tak wi´c
ju˝ w roku 1782 Argand by∏ w∏aÊcicie-

lem trzech dzia∏ajàcych na pe∏nych ob-
rotach gorzelni. Wkrótce zaczà∏ mieç
k∏opoty z nocnà zmianà. Ale ˝e by∏ wy-
nalazcà, wymyÊli∏ te˝ oÊwietlenie (na
które rzuci∏em nieco Êwiat∏a w jednym
z poprzednich felietonów). Zwa˝ywszy,
i˝ w owym czasie w∏aÊnie w Anglii
trwa∏a rewolucja przemys∏owa, zmie-
niajàca technologie i rynek, nie dziwota,
˝e ju˝ w 1784 roku Argand mia∏ swoje
lampy, produkowane tam przez nieja-
kiego Matthew Boultona. Spryciarz ów
mia∏ fabryk´ w Birmingham, gdzie wy-
rabia∏ wszystko – od lamp Arganda, kla-
merek do trzewików i medalionów po
maszyny parowe (partnerem Boultona
by∏ James Watt).

Maszyny parowe Watta odnios∏y tak

wielki sukces dlatego, ˝e Êwietnie dzia-
∏a∏y, a to dzi´ki pomocy, jakiej mu udzie-
la∏ – w czasach, gdy Watt by∏ jeszcze z∏o-
tà ràczkà na uniwersytecie w Glasgow –
profesor chemii, Joseph Black. W swoim
czasie prowadzi∏ on pewne doÊwiad-
czenia nad wytwarzaniem whisky i od-
kry∏ utajone ciep∏o, co z kolei natchn´∏o
Watta pomys∏em zastosowania oddziel-
nego kondensatora, to zaÊ sprawi∏o, ˝e
jego maszyna parowa okaza∏a si´ naj-
lepsza. Innym protegowanym Blacka
by∏ student medycyny, James Graham,
który zdoby∏ s∏aw´ i pieniàdze dzi´ki
szarlataƒskim kuracjom pràdem elek-
trycznym, prowadzonym w swojej lon-
dyƒskiej Âwiàtyni Zdrowia, gdzie za-
trudnia∏ by∏à ladacznic´, Amy Lyon.

Wyrwawszy si´ z ∏ap ró˝nych roz-

pustnych arystokratów, Amy przeisto-
czy∏a si´ w Emm´, najpierw kochank´,
a nast´pnie ˝on´ sir Williama Hamilto-
na, brytyjskiego ambasadora w Neapo-
lu. We W∏oszech sir William poczà∏ „ko-
lekcjonowaç” dzbany i inne drobiazgi
wydobyte ze Êwie˝o odkrytych ruin
w pobli˝u Pompejów i Herkulanum.
Zgromadziwszy wystarczajàcà iloÊç
przeszmuglowanych rzymskich skorup
i obt∏uczonych greckich g∏ów, opraco-
wywa∏ kolejny katalog dla zamo˝nych
londyƒskich kupców. Jedna z jego ksià-
˝eczek o klasycznych starociach zain-
spirowa∏a angielskiego ceramika Josia-