Запах смерти: электроника принюхивается к бомбам и раку

Как собаки могут учуять взрывчатку, диагностировать рак и диабет, как собачьи носы вдохновляют ученых создавать устройства, которые повторяют и даже превосходят все эти успехи собачьего обоняния, а также зачем печатать нос лабрадора на 3D-принтере, рассказывает Indicator.Ru.

Нос собаки — сложная система, состоящая из 225 миллионов обонятельных клеток (у человек их около 6 млн) и содержащая якобсонов (вомероназальный) орган. В отличие от жалких 387 сохраненных нами обонятельных генов, из которых еще и работают не все, у макросматов (животных, полагающихся больше всего на обоняние) их обычно не меньше 1000. Копирование принципов устройства этих сложных и продуманных систем — перспективный путь для инженеров, как показывает, например, разработка нового устройства, которое умеет «активно принюхиваться», как собака. Работа инженеров из Национального института стандартов и технологий, вдохновленная природой, представлена в Scientific Reports.

Как пахнет бомба

Таможенники часто задействуют специально натренированных собак для поиска бомб, оружия или наркотиков. Однако сами собаки не идеальный механизм. Для их обучения часто используют не настоящие боевые заряды, а их имитация (так как сами заряды сложно и опасно хранить и транспортировать). Конечно, обученные на имитации зарядов четвероногие таможенники хуже ищут настоящие, и наоборот.

К тому же, собакам трудно объяснить настоящую цель поисков. Чувствительные к перепадам настроения хозяина и старающиеся ему угодить животные стараются угадать желания человека, что может исказить результат. Так, в статье в журнале Animal Cognition сообщается, что пары человек-собака могут ошибочно указывать на наличие запаха взрывного устройства или наркотиков, когда на самом деле его нет. Это происходит чаще всего тогда, когда хозяин верит, что искомое вещество есть. В качестве эксперимента безобидные предметы: теннисные мячики, сосиски, красную чертежную бумагу — разложили по нескольким комнатам, а в одной из комнат не оставили ничего. Хозяева ожидали, что хотя бы в одной комнате будет спрятана бомба или наркотики, и собаки начинали лаять и поднимать тревогу, чтобы эти ожиданиям соответствовать. В ходе исследования животное совершило подобную ошибку более 200 раз.

«Дело не только в том, как чувствителен нос собаки или как хорошо она натренирована. Есть когнитивные факторы, на которые влияют взаимоотношения собаки и хозяина, и эти факторы могут влиять на успешность всей работы», — поясняет Лиза Лит, руководитель исследования, постдок в Департаменте Неврологии Калифорнийского университета.

Чтобы создать приборы, которые имеют все преимущества собачьего обоняния, но не искажают результаты из-за влияния человеческого фактора, ученые снова присмотрелись к природе внимательнее. Чтобы понять, что делает носы собак такими изощренными и удивительно чуткими устройствами, инженеры из Национального института стандартов и технологий MIT в сотрудничестве с FDA (Food and Drug Administration, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США), напечатали анатомически точную копию носа самки лабрадора на 3D-принтере и изучили его аэродинамические свойства и циркуляцию воздуха в нем.

Затем, увидев, как эффективно искусственный собачий нос вдыхает пары ацетона, ученые решили улучшить продуктивность уже доступного в продаже датчика загазованности. По сравнению с существующим у самого датчика режимом «вдохов» раз в десять секунд, у датчика с насадкой «по образу и подобию» собачьего носа чувствительность возросла в четыре раза на расстоянии десяти сантиметров и в 18 раз на расстоянии 20 сантиметров от источника паров.

Учуять рак и диабет

Благодаря своему выдающемуся обонянию собаки не только помогают таможенникам и полицейским искать запрещенные вещества, но и могут «советовать» медикам, как ставить диагнозы.

Так, множество исследователей сообщают, что собаки могут отличать больных раком людей от здоровых по запаху. Первые эксперименты медиков подтвердили предположение, что собаки могут «вынюхивать» раковые клетки, еще в 1989 году. Это справедливо для нескольких разновидностей рака, в том числе рака мочевого пузыря и колоректального.

По сообщениям медиков из Аденбрукского госпиталя Кембриджского университета, собаки также способны выявлять пониженный уровень сахара в крови по запаху, исходящему от диабетиков. Основным химическим веществом, которое помогает собакам заметить разницу, является изопрен, количество которого резко возрастает при гипогликемии. Ученые предполагают, что это вещество — побочный продукт синтеза холестеролов, но не знают, как оно связано с диабетом. Собаки же легко замечают запах этого соединения в человеческом дыхании.

Способности четвероногих друзей человека к медицинской диагностике тоже не раз вдохновляли химиков и инженеров. Так, в 2013 году ученые из Ливерпульского университета и Бристольского университета Западной Англии представили в журнале PLoS ONE прибор под названием Odoreader (в переводе «читающий запахи»). Прибор может детектировать особые летучие химические вещества по запаху человеческой мочи и таким образом отличать больного раком мочевого пузыря не только от здорового, но и от человека с другими урологическими болезнями.

Американское химическое общество в прошлом году сообщало и о публикации в Nano Letters статьи о создании детектора специфического компонента в дыхании, характерного для рака яичников. Сенсоры, которые исследователи назвали «электронным носом», имели уровень точности в 82%.

В этом и прелесть фундаментальной науки: прогресс в понимании устройства собачьего носа помогает и медикам, и правоохранительным органам.