大気汚染

Aug 02 2007

中国は、大気質の悪い地域を検出するために、有害なレベルの汚染を嗅ぎ分けるよう人々を訓練しています。しかし、これは人体にどのような影響を及ぼしますか？脳がどのように香りを識別して区別するか、そして新しい匂い検出技術について学びましょう。

製油所新疆ウイグル自治区中国XiaodongQiu / Moment / Getty Images

中国の現代の産業ブームに起因する汚染と戦うのを助けるために、国の広東省の環境監視ステーションは、古代の検出方法、つまり人間の嗅覚に目を向けています。訓練を受けた12人の専門家が実験室で過ごし、豊富な工場とゴミ捨て場のために番禺の町を悩ませているさまざまな有害ガスにさらされ、香りのプロファイルを検出しようとしています。

この記事では、鼻と人間の脳がどのように匂いを検出して区別し、香りのプロファイルや記憶を構築するか、そして科学者が人工嗅覚で電子機器やロボットをどのように使用しているかについて学びます。

地球温暖化ギャラリー

提供：Dan Eckstein / Picture China
人口が多く、現在の産業ブームにより、
中国は世界最大の汚染国の1つになる準備ができています。

2006年の世界銀行の汚染調査によると、世界で最も汚染されている20の都市のうち、16が中国にあります。汚染は犠牲になっています。ますます工業化が進む国では、毎年30万人以上が、大気の質の悪さから生じる合併症で亡くなっていると推定されています。この状況をさらに悪化させるのは、はるかに致命的な形態の汚染物質、つまり超微粒子の発見です。これらの粒子は他の汚染物質よりもはるかに小さく、検出が難しく、大気質が悪化するにつれて健康にさらに悪影響を及ぼし、他の健康問題の中でも特に心臓病を引き起こす可能性があります[出典： CNN ]。

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ロボットのしくみ
NASAのしくみ
好奇心プロジェクト：汚染パズル

匂いを嗅ぐチームのリーダーで監視ステーションの副所長であるLiuJingcaiは、チャイナデイリー紙に、トレーニングはチームメンバーに嗅覚のスキルを使ってバラの匂いを止めて匂いを嗅ぐ機会を正確に与えていないと語った。「仕事はかなり不快です」と劉は言いました。「私たちはそれらのひどいガスを繰り返し嗅ぐ実験室にとどまらなければなりません[出典：チャイナデイリー]。

チームメンバーは、有害な環境汚染物質の臭いと、単に不快であるが無害な臭いとを区別するように訓練されています。彼らは、空気中の有害ガスの密度を検出できる敏感な電子機器を自由に利用できます（これについては後で詳しく説明します）。しかし、中国のスニファーには、機械に比べて1つの明確な利点があります。人間は有害ガスを検出できるだけでなく、それらに対する物理的反応を表示できるため、大気中のガスの存在がより明確になります。

年齢を重ねるにつれて嗅覚の感度が低下するため、プロのスニッフィングチームは、メンバーが最適な匂いのスキルを持っていることを確認するために、3年ごとに再認定を受けます。

しかし、彼らが汚染物質を探して番禺を歩き回っているとき、チームはどのようにして彼らが遭遇する臭いを正確に特定することができるでしょうか？次のセクションでは、人間の脳がどのように違いを嗅ぎ分けるかを調べます。

内容

香りの検出と差別化
汚染スニッフィングの影響
人工嗅覚
中国の汚染スニファー：著者のメモ
中国の汚染スニファー：チートシート

香りの検出と差別化

私たちは嗅覚を当然のことと思っているかもしれませんが、正確にどのように匂うかは、神経学者と生理学者の間で大きな議論と研究のトピックです。科学は、嗅覚が嗅覚受容体を通過した後、嗅覚のプロセスがどのように行われるかを正確に把握しています。これは、研究者が困惑しているプロセスの始まりと終わりです。

科学者たちは長年、嗅覚束を構成するさまざまな神経が特殊化されていることを知っていました。それらはそれぞれ、相互作用するように設計された分子のタイプにのみ応答します。郵便局の前にある郵便受けの銀行を想像してみてください。1つは従量制郵便用、1つは地方郵便用、もう1つは市外郵便用です。それぞれがまだメールボックスであり、それぞれがメールを受け入れますが、それぞれの目的は、特定の分子受容体にルーティングされる嗅覚束の神経のように、特定のタイプのメールを特定の場所にルーティングすることです。

宇宙のレビューの礼儀
嗅覚プロセスのコンポーネントの図

しかし、科学は依然として、特殊な受容体間の応答がどのように引き起こされるかについての正確な答えを探しています。プロのスニファーが匂いの違いを見分けることができるようにするために、どのような初期プロセスが行われますか？

揮発性（室温付近で蒸発することを意味します）である限り、どの分子も匂い物質、または匂いを通して感知できる分子になる可能性があります。匂い物質が鼻の受容体に結合すると、匂い物質としての分子の可能性が実現します。最も広く受け入れられている理論は、約350の嗅覚受容体のそれぞれが、分子の形状に基づいて、特定の種類の分子によってのみ活性化できる特定の構造を持っているというものです。しかし、このロックアンドキー理論[出典：神経哲学]には、1つの大きなロジスティック上の問題があります。それは、まったく異なる匂いを持つ同じ形状と構造の分子が存在することです。

新しい研究は、匂い物質とそれらの嗅覚受容体の間の相互作用がはるかに崇高な物理的プロセスに基づいていることを示唆しています。量子物理学に根ざしたこの最近の理論によると、相互作用は、匂い分子の原子構造の振動によって受容体で引き起こされる反応に基づいているという。受容体は分子の振動に反応し、この反応が嗅覚系に沿った嗅覚情報の伝達を引き起こします。プレスト！中国のスニファーは有害な化学物質を根絶することができます。

分子哲学のいずれか

中国

のスニファーは彼女の鼻から息を吸い込み、受容体は匂い物質と呼ばれる分子と相互作用します。どんな分子も匂い物質になる可能性がありますが、分子が宇宙に浮かんでいる間、その分子は匂い物質と見なすことができますか？それは質問のようなものです。森の中に木が落ちて、周りに誰もそれを聞いていない場合、それは音を出しますか？おそらく哲学者のためのものでしょう。

しかし、これは私たちがどのように匂い分子と化学的に相互作用するかを説明するだけです。私たちが知っている匂いのほとんどは、匂い分子の組み合わせで構成されています。では、どのようにして匂いの知覚を作成するのでしょうか。つまり、「良い」匂いであるか「悪い」匂いであるかを問わず、最終的に、スニファーはどのようにして匂いの違いを区別できるのでしょうか。

私たちの脳の匂いを検出し、匂いを知覚するプロセスが異なる可能性があることが研究者に明らかになりつつあります。ノースウェスタン大学のある研究では、匂い分子の構造は必ずしも脳内で起こる匂い物質のコーディングに影響を与えるとは限らないと結論付けています。匂いのコーディングは、私たちの脳が匂いをさまざまなカテゴリに分類する方法を表す用語です。研究者たちは、この匂い物質のコーディングを可能にするのは、連携して機能するさまざまなプロセスの組み合わせである可能性があることを発見しました。

これらの同じ研究者はまた、私たちの体系化された匂いの記憶、または曝露から作成された匂いプロファイルは、匂いに関する新しい情報または追加情報に遭遇したときに変化する可能性があることを決定しました[出典：ノースウェスタン大学]。たとえば、クチナシの花の匂いを一度嗅ぐと、遠くからクチナシの植物を見たときにトリガーされる香りの記憶が作成される場合がありますが、クチナシを連続して嗅ぐと、花の香りの元の印象が明確になり、複雑さが増します。

次のセクションでは、汚染スニッフィングが人間に与える影響について見ていきます。

汚染スニッフィングの影響

私たちのほとんどは、私たちの鼻で汚染物質を検出するためにお金を払っていません。私たちは一般的に、時間の経過とともにカジュアルな露出を通して私たちの環境の匂いについて学びます。しかし、スニファーを訓練するための中国政府のアプローチは、より積極的で焦点を絞っています。チームメンバーをラボで長期間匂いにさらすことで、ワイン愛好家がシャルドネのグラスのメモや香りのプロファイルを検出するのと同じように、匂いに関するスニファーのアイデアがより迅速に洗練されます。

Chris Harvey / Dreamstime.com の礼儀
人間の嗅覚系
は化学物質
と汚染に非常に敏感です。

ノースウェスタン研究者は暴露のこの種は、同じ家族の中で香りのための香りのより洗練された感覚を作成することを示しました。長時間の曝露はまた、匂いに対してより強い反応を引き起こします。たとえば、中国のスニファーが長期間硫黄にさらされていた場合、さまざまな種類の硫酸化合物の違いを簡単に見分けることができます。順番に、これは彼らの仕事をより良くするでしょう。

しかし、硫黄やその他の有害な化学物質を嗅ぐことは、人間の健康に非常に有害である可能性があります。したがって、中国人が汚染を見つけるために人間を雇っている間、世界の他の地域の科学者は電子機器の形で技術を探しています。

リカルド・アラネダ博士
リカルド・アラネダ博士に感謝します大学のメリーランドこの記事を手伝ってくれて。

中国の汚染スニファーに関する部屋の中の象は、それらのスニファーが人間であるということです。これは、彼らの仕事が2つの問題に遭遇することを意味します。一つ目は、匂いの感覚が時間とともに劣化することです。二つ目は、彼らが生活のために有害な化学物質を吸い込むということです。最初の問題は交換用のスニファーを採用することで克服できますが、2番目の問題は健康上の問題やスニファーの死につながる可能性があります。

次のセクションでは、ロボットと電子機器が人工嗅覚でどのように使用されているかを見ていきます。

人工嗅覚

中国の人間のスニファーは敏感な電子機器よりも有利であることを以前に見ました。人間として、私たちは汚染物質の存在を裏付ける物理的反応を持っています。しかし、電子機器を使用すると、人間を有害な汚染物質にさらす必要がなくなります。この目的のために、科学は汚染を見つけてその濃度を決定するために技術を使用する新しい方法を模索しています。

NASA / JPLの礼儀 -Caltech

NASAは、第3世代の電子鼻（ENose）デバイスを開発しました。宇宙機関のジェット推進研究所（JPL）は、スペースシャトルに搭載されたアンモニアの漏れを検出するのに役立つデバイスを作成しました。 NASAは、シャトルの配管の熱伝導率としてアンモニアを使用しています。アンモニアがガス状の状態でさらされると致命的となる可能性があり、アンモニアが漏れると宇宙飛行士にとっては破滅を意味します。このような災害を防ぐために、ENoseは、ガスの濃度が致命的なレベルに達する前に、このような漏れを早期に検出するために宇宙で使用するために開発されています。

ENoseは人間の嗅覚系の構造に基づいています。このデバイスは、ポリマーフィルムを使用して、嗅神経の両端にある小さな髪の毛のような受容体のように、分子を検出して反応します。これらの反応は、マシンによって解釈されます。

NASAのWebサイトに掲載されているENoseの記事によると、デバイスは非常に敏感であるため、発生する前に電気火災の臭いがする可能性があり、コカコーラとペプシを区別できます[出典：NASA ]。中国のスニファーでさえ、それを行うのに苦労するでしょう。

ナタリー・イェレミジェンコ、ジェフリー・ウォーレン、マイク・カイの礼儀
ロボット犬は
汚染物質検出器として新しい目的を見つけています。犬の
マイクロチップは
、空気中の揮発性化合物を感知するために改造されています。

地球に戻ると、スペースシャトルよりも少し洗練されていない技術がNASAのENoseに似たデバイスに使用されています。歩く、座る、とどまる、吠えることができるかつて人気のあった子供のおもちゃであるロボット犬は、Feral Dogと呼ばれるプロジェクトで、犬がわずか100ppmの微量の揮発性化合物を感知できるようにする新しいチップで改造されています。事業。

サンディエゴ州立大学のナタリー・イェレミジェンコ教授の発案によるこのプロジェクトは、汚染物質を安全に嗅ぎ分けるだけでなく、これらの汚染物質がもたらす環境上の危険性についての認識を高める方法として始まりました。プロジェクトは軌道に乗り、アイダホ、ニューヨーク、フロリダの全国に改造ラボが出現しました。

しかし、Feral Dog Projectで使用されているセンサーは、ENoseに追いつくまでには長い道のりがあります。一方でロボットただ一つの分子だ- -万人あたりの犬のセンサーは百万分の100部に化合物を拾うことができ、ENoseセンサが1つの部品として少しとして検出することができます。

Feral Dogs Projectとロボット犬のリリースを特集したビデオの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

中国の汚染スニファー：著者のメモ

2009年
ジョシュクラーク、シニアライター

広東省の汚染探知機には、私がこれまで理解できなかった側面が常にあります。なぜ人間を使うのでしょうか。記事を書いたとき、そして「知っておくべきこと」のポッドキャストエピソードを作成したとき、それについて疑問に思いましたが、今でも疑問に思っています。人間を意図的に大気汚染にさらすことに伴うすべての付随する損害-そしてそれだけでなく、彼らに彼らの仕事としてそれを長く深呼吸させること-は完全に不必要ではないにしても少なくとも危険であるように思われる。4番目のセクションでは、人間の汚染検出器と同じように、実際にははるかに優れた機能を発揮する多くの機械式センサーを記録しました。では、なぜ人を使うのですか？

これは.comの私の最初の記事でした。実は私を雇ったのはテスト記事だったので、これには本当に親しみがあります。それを研究することはまた、科学が私たちがどのように嗅覚を経験するかを知らないという魅力的な事実への私の最初の紹介を提供しました。この記事で私が話している嗅覚の理論に精通することは、私たちがどれだけ学ぶべきかを私にさらしました。

大気汚染

香りの検出と差別化

汚染スニッフィングの影響

人工嗅覚

中国の汚染スニファー：著者のメモ

中国の汚染スニファー：チートシート