Впервые, две тысячи лет назад, римский поэт Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» попытался дать ответ на этот вопрос. С тех пор было предложено более тридцати теорий. Наибольшую дискуссию вызывал вопрос, должны ли молекулы пахучего вещества приходить в контакт с рецепторами или же оно излучает волны, которые и раздражают рецепторы. Вследствие этого все теории разделились на контактные и волновые.
Особое распространение волновые теории получили в XVIII веке, по аналогии с волновой теорией света и слуха. Сторонники этой теории проводили в качестве аргумента феноменальную способность насекомых различать запахи на огромных расстояниях. Известно, что самец тутового шелкопряда может ощущать запах самки на расстоянии до 10 километров. Некоторые акулы способны ощущать запах крови, если её концентрация в воде составляет одну миллионную долю процента. Сейчас от волновых теорий в основном отказались все исследователи.
Контактные теории делятся на 2 подгруппы в зависимости от того, химическим или физическим путём предположительно воздействуют контактирующие молекулы на обонятельные клетки.
Теории физического взаимодействия молекул пахучего вещества и органов обоняния в основном рассматривают внутримолекулярные колебания молекул веществ, воздействующих на рецепторы. Наиболее показательной в этом отношении является вибрационная теория Дисона – Райта. Ещё в 1937 году Г.М. Дисон сформулировал три необходимых условия пахучести вещества: летучесть, растворимость и внутримолекулярные колебания, которые дают пик в спектре Рамана в области 3500 – 1400 см-1. Он считал - это частоты, чувствительные для обонятельной зоны. Но связи между колебаниями в области 3500 – 1400 см-1 и запахом не было обнаружено.
Однако в 1956 году теория Дисона вновь была подхвачена и развита Райтом. Он считал, что теория Дисона верна, но он неправильно выбрал интервал частот. Учитывая, что результирующее поглощение сложного колебания молекулы в целом лежит в области низких частот, Райт предложил в качестве обонятельной зону инфракрасных частот – от 500 до 50 см-1. Согласно этой теории колебательные частоты определяют качество запаха, тогда как летучесть – способность к адсорбции (поглощению), растворимость его интенсивность.
Считается, что все молекулы обонятельного эпителия находятся в состоянии электронного возбуждения с запрещённым переходом в основное состояние. Молекулы пахучего вещества комбинируются с молекулами обонятельного эпителия (причём с определённым соответствием колебательных частот), меняют частоту колебаний молекул эпителия и стимулируют возвращение возбужденной молекулы в исходное состояние. Для объяснения разнообразных запахов должно быть несколько типов клеток обонятельного эпителия. Лёгкие различия в запахе некоторых оптических изомеров он относил к разной степени частоты колебаний.
В качестве экспериментальных подтверждений своей теории Райт приводил следующее: соединения, обладающие запахом горького миндаля, имеют сходные низкочастотные спектры; у синтетического мускуса есть линии поглощения в дальней инфракрасной области, где у других, не мускусных соединений, их нет, и, наконец, наблюдается корреляция между низкочастотными колебаниями и биологической активностью полового притяжения насекомых.
Вибрационная теория подверглась справедливой критике, особенно гипотеза о возбуждении электронов обонятельного эпителия. Ведь изотопные молекулы имеют одинаковый запах, хотя их колебательные частоты очень разнятся. Но сам факт, что к вибрационной теории вернулись после двадцатилетнего забвения, свидетельствует, что в основе её лежит рациональное зерно [26, с.57].
Сторонники химических контактных теорий утверждают иное. В течение многих лет химики эмпирическим путём синтезировали огромное количество пахучих веществ, как для парфюмерии, так и для своих собственных исследований обоняния, но вместо того, чтобы пролить свет на свойства, от которых зависит запах, это только увеличивало путаницу. Было открыто лишь несколько общих принципов. Например, добавление боковой ветви к прямой цели углеродных атомов весьма усиливает запах; сильный запах оказался также свойственен молекулам некоторых спиртов и альдегидов, содержащих от 4 до 8 углеродных атомов.
Однако, чем больше химики анализировали химическое строение пахучих веществ, тем больше возникало загадок. С точки зрения химического состава и структуры эти вещества поражают отсутствием какой-либо закономерности. Но, как это ни парадоксально, само это отсутствие закономерности стало своего рода закономерностью. Например, 2 оптических изомера, идентичные во всех отношениях молекулы, кроме того, что одно является зеркальным отражением другой, могут пахнуть по-разному.В веществах, молекулы которых содержат бензольное кольцо из шести углеродных атомов, изменение положения группы атомов, связанных с кольцом, может резко изменить запах, тогда как у соединений, молекулы которых включают большое кольцо из 14-19 атомов, такого рода перегруппировка заметного изменения запаха не вызывает.Эти факты привели химиков к мысли о том, что, возможно, основным фактором, определяющим запах, является общая геометрическая формула молекулы, а не какая-либо деталь состава или структуры вещества [20, с. 151].
В 1949 году Р. Монкрифф оформил эти идеи, предложив гипотезу, сильно напоминавшую догадки Лукреция двухтысячелетней давности.Монкрифф предположил, что обонятельная система построена из рецепторных клеток немногих типов, каждый из которых воспринимает отдельный «первичный» запах, и что пахучие молекулы оказывают своё действие при точном совпадении их формы с формой «рецепторных участков» этих клеток. Он предположил, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, каждый из которых отвечает основному запаху. Его гипотеза была новым приложением концепции «ключа и замка», которая оказалась плодотворной для объяснения взаимодействия ферментов с их субстратами, антител с антигенами, молекул ДНК с молекулами РНК.
Дж. Эймур развил и детализировал теорию Р. Монкриффа. Потребовалось 2 усовершенствования: установить, сколько существует видов рецепторов и определить размеры и форму каждого из них. Для определения количества видов рецепторов Эймур установил число основных запахов, считая, что каждый из них отвечает форме рецептора. Это было достигнуто при объединении 600 соединений в группы на основе сходности запаха. На основании частоты встречающихся запахов удалось выделить 7 запахов, которые можно рассматривать как первичные. При смешивании первичных запахов в определённых пропорциях можно получить любой известный запах.
Молекулы важнейших запахов могут совпадать только с одним видом рецепторов, тогда как молекулы сложных запахов должны подходить двум или даже большему числу видов рецепторов. Поэтому важнейшие запахи в чистом виде встречаются реже, чем сложные. Чтобы воспринять семь различных типов обонятельных рецепторов, Эймур представлял рецепторные участки в виде ультрамикроскопических щелей или впадин в мембране нервного волокна, каждая из которых имеет своеобразную форму и величину. Предполагалось, что молекулы определённой конфигурации «вписываются» в каждый из этих участков, подобно тому, как штекер входит в гнездо.
Следующей проблемой было изучение формы семи рецепторных участков. Оно началось с исследования формы молекул различных пахучих веществ с помощью методов современной стереохимии. Оказывается, используя дифракцию рентгеновских лучей, инфракрасную спектроскопию, электронно-зондовый анализ и целый ряд других методов, можно построить трёхмерную модель молекулы. Когда таким образом были построены молекулы всех соединений, обладающих камфорным запахом, оказалось, что все они имеют примерно одинаковую округлую форму и диаметр, равный семи ангстремам. Это означало, что рецепторный участок для камфорных соединений должен иметь форму полукруглой чаши такого же диаметра. Подобным образом были построены и модели других «пахучих» молекул.
Выяснилось, что мускусный запах характерен для молекул дискообразной формы с диаметром около 10 ангстрем. Приятный цветочный запах вызывается молекулами дискообразной формы с гибким хвостом, как у воздушного змея. Прохладным мятным запахом обладают молекулы клинообразной формы. Эфирный запах обязан своим происхождением палочковидным молекулам. В каждом из этих случаев рецепторный участок на нервном окончании, по-видимому, имеет форму и величину, соответствующую форме и величине молекулы. Таким образом, теория обоняния Монкриффа – Эймура – стереохимическая теория получила наибольшее признание в настоящее время. Эймур синтезировал несколько молекул определённых форм, и все они обладали предсказанным запахом.
Возможно, предлагаемые масла, их смеси при лечении конкретных заболеваний укладываются в стереохимическую теорию обоняния и будут доказаны современными методами построения трехмерных моделей молекул, что позволит использовать ароматерапию ещё с большей эффективностью.
Из работ по физиологии обонятельной системы известно, что восприятие запахов зависит не только от собственных качеств одоранта, но и от состояния воспринимающего субъекта. На восприятие запахов влияют такие признаки, как пол, возраст, гормональный статус, физическое состояние организма, «курительные привычки», этническая принадлежность испытуемых и другие.
Относительно мало работ посвящено анализу зависимости восприятия запахов от состояния эмоциональной системы. Однако запах оказывает непосредственное влияние на настроение человека. Результаты исследований показали, что в сорока случаях из ста у тех людей, которым давали понюхать приятный аромат, улучшалось настроение — особенно если этот аромат пробуждал приятные воспоминания. Такие ассоциации с прошлым, вызванные запахами, известны как «феномен Пруста» — по имени Марселя Пруста, великого французского писателя - романиста, прославившегося своими воспоминаниями о событиях начала двадцатого столетия. В современных условиях феномен Пруста все чаще проявляется под воздействием фирменных запахов. В проводившихся ранее исследованиях респонденты в подавляющем большинстве (80% женщин и 90% мужчин) признавали тот факт, что у них есть яркие, связанные с запахами воспоминания, которые вызывают эмоциональную реакцию. Психологи Петер Аартс и Й. Стефан Эллинек занимаются изучением подсознательного воздействия запахов на чувства, суждения и поведение человека. Они называют этот феномен «имплицитной обонятельной памятью». Выводы этих психологов подтверждают предположение о том, что аромат — это тот фактор, который руководит действиями потребителя в момент выбора, покупки или использования товара.