嗅觉是许多动物的主要感官知觉。当 Richard Axel 和 Linda B. Buck 因发现 G 蛋白偶联受体在嗅觉细胞中的作用而获得 2004 年诺贝尔奖时，他们强调了嗅觉对科学界的重要性。一些理论试图解释细胞如何能够在复杂的环境中区分如此广泛的气味分子，其中对映异构体可以导致完全不同的感知和结构不同的分子。此外，性别、年龄、文化起源和个体差异会导致气味感知变化，从而使图片复杂化。本文介绍了嗅觉理论的最新进展，并在化学、生理学、神经生物学和机器学习的前沿讨论了人类嗅觉的未来趋势，例如基于结构的气味预测和人工嗅觉。
1.1 嗅觉的关键作用
每一种有鼻子的动物都有识别气味的能力，这似乎是合理的，但这在单细胞微生物中可能变得不那么明显了。然而，几乎所有的生物，包括微生物，都可以通过化学感受感知环境信号[1]。感知挥发性有机化合物 (VOC) 的能力存在于从单细胞生物到哺乳动物等更复杂生物的各种门中 [2]。对于大多数动物来说，嗅觉至关重要。气味感知的作用可能与保证生存和繁殖的各种功能有关，例如寻找食物、避免危险、特定识别和寻找配偶[3-6]。昆虫和某些脊椎动物通过气味定位猎物。为了说明这一点，蚊子定位哺乳动物以便通过检测二氧化碳来吸血，而常见的捕食者，尤其是猫科动物，可以识别数百英里外的血液气味 [7]。嗅觉还允许动物通过检测可能含有毒物和病原体的恶臭食物来避免危险[8]。最后，气味有助于在包括人类在内的新生动物与其母亲之间建立牢固而积极的联系。在怀孕期间，女性会产生一种特定模式的挥发性分子，这些分子有助于新生儿识别母亲并在出生后和生命的最初几周内指导喂养[9]。
1.2.人类对气味的反应
嗅觉不仅仅是一种生理和心理体验。它也是一种社会和文化现象[10]，因为嗅觉因文化、年龄、性别和健康状况而异[11]。嗅觉感知受到背景和语义信息的广泛影响，因为具有不同文化背景的两个人在闻到同一事物时可能会有不同的反应。例如，加拿大人比法国人更能描述枫树的气味，后者更擅长描述薰衣草[12]。气味识别也受年龄影响，因为儿童（<16 岁）和老年人（>55 岁）对气味的敏感性低于青年和中年人 [13-16]。嗅觉感知因性别而异的变化不太明显[13]。最近的一项大数据分析表明，女性在识别和辨别气味方面的表现通常优于男性。女士们通常也有较低的气味分子阈值。然而，即使差异在统计上是显著的，它们也很小[17]。
1.3.气味的物理和化学特征
根据 Richard Axel 和 Linda B. Buck（2004 年诺贝尔医学或生理学奖的获得者）的说法，气味是一种具有生理反应的化学刺激物，可能是由一种气味分子或气味分子的组合引起的 [18]。后者是挥发性化合物，通常浓度很小，动物（包括人类）通过嗅觉感知到这些化合物 [19]。术语“气味”经常用于命名可能令人愉快或不愉快的气味，而术语“香味”和“香气”主要用于化妆品和食品行业来描述令人愉快的气味[19]。
气味分子包括 VOC，它构成了一大类低分子量 (<300 Da) 含碳化合物，其特点是具有高蒸气压（20 oC 时≥0.01 kPa）和高至中等疏水性 [20]。气味主要源于在环境温度下挥发并因此到达鼻子的化合物。然而，蒸气压值不足以预测化合物是否有气味。例如，一方面，人类可以闻到 NO2，但不能闻到 CO2；另一方面，它们可以闻到相对较大的分子，例如麝香化合物 [21,22]。气味分子不限于含碳化合物，因为有机分子和无机分子都可能有气味。例如，氨 (NH3) 是一种无机化合物，具有独特的鱼腥味 [23]。元素氯气 (Cl2) 有刺鼻的气味。硫化氢 (H2S) 是另一种具有臭鸡蛋气味的无机气味剂。人们普遍认为，与单一元素化合物相比，人类能够更容易、更可靠地检测官能团的存在。硫醇 (-SH)、恶烷 (-NOH) 和硝基 (-NO2) 就是这种情况，它们分别以其硫磺气味、绿色樟脑气味和甜美的飘逸特性而闻名 [23]。
1.4.气味与结构关系
具有相同官能团的气味化合物似乎具有相似的气味，因为酯类具有水果和花香气味，内酯具有椰子或杏子的特征，胺类具有动物/烤制气味，硫醇具有腐烂或蒜香气味 [24]，挥发性脂肪酸有酸到腐臭的气味，醛类与绿色气味有关，例如草屑或树叶 [25,26]。许多研究都集中在化合物的分子结构与其气味之间的关系[27-29]。事实上，解决这个问题可能会对香水和芳香剂配方产生重大的经济影响。一些官能团及其相关气味如图 1 所示。
图 1. 具有共同官能团和相似气味的气味剂示例 [23]。
然而，根据分子的官能团只能预测几种气味。事实上，一些气味分子具有相同的官能团，但气味不同。例如，4,4-二甲基-2-辛烯-γ-内酯、8-甲基-2-壬烯-γ-内酯和5,6,6-三甲基-2-庚烯-γ-内酯就是这种情况。内酯（图 2），这是三种结构非常接近但气味非常独特的内酯。事实上，第一个分子有薄荷味，第二个分子有黄油味，最后一个分子有萜类和樟脑味[30]。
图 2. 具有共同官能团和不同气味的气味剂示例 [24]。
同样，对映体化合物，也称为光学异构体，显然具有相同的化学功能并且结构上接近，但只有少至 5% 的对映体对具有相似的气味 [31]。许多有机化学教师使用的一个非常常见的例子是柠檬烯的两种对映异构体：(S)-(-)-柠檬烯闻起来像柠檬，而(R)-(+)-柠檬烯具有橙子的特征气味。另一个具有不同气味的对映体对的著名例子是 (R)-α-甲基环香叶酸酯，闻起来像樟脑，和 (S)-α-甲基环香叶酸酯，其气味被描述为水果味 [31]。当分子有两个手性中心时，存在四种不同的对映异构体，可能导致四种不同的气味（例如 mentha-8-thiol-3-ones）（图 3）[32]。
图 3. 具有不同气味的对映体化合物示例 [31,33]。
最后，结构不同的有机化合物具有相似的气味。例如，与麝香有关的气味（图 4）[32,34–37]。
图 4. 具有不同结构和相似气味（麝香）的气味剂示例 [32,37]。
除了改变气味外，分子的微小结构变化可能会导致气味强度降低。举个例子（图 5），左边的分子有尿味，而右边的分子，只显示一个额外的 CH3，是无味的 [37,38]。
图 5. 具有轻微结构修饰的化合物的气味特性变化示例。
分子结构或官能团的微小变化可以显着改变其气味，而目前的预测气味-结构模型无法完全解释。
