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汪星人擁有敏銳的嗅覺，這一點人盡皆知。然而除了緝毒與搜救，無所不能的狗狗們已經涉足司法以及醫藥領域，經過訓練的犬只能夠追蹤紙幣，甚至發出癌症預警。不僅如此，對於焦慮或者低血糖的人，嗅覺靈敏的狗狗也能提供可靠的幫助。戊戌狗年到來之際，讓我們衷心地感謝這群人類的好夥伴。
撰文 | 巴巴拉·費里（Barbara Ferry）?
翻譯 | 徐寒易
或許除了阮坦蘭（Rantanplan，法國家喻戶曉的動畫角色，以憨笨著名）以外，所有的狗都有著非凡的嗅覺。狗的嗅覺就和猛禽的視覺一樣，細緻而精準。很早以前，人類就利用狗來追蹤獵物，尋找失蹤者。近幾年來，狗的靈敏的嗅覺和它們活潑的個性在許多領域都有用武之地。狗能檢測出毒品、武器、炸藥、有害動物或植物、焦慮或者低血糖的人，甚至能分辨癌症早期的人發出的氣味……狗的嗅覺非常廣泛。雖然技術日新月異，但有一點可以肯定：人類最好的朋友——狗的敏銳嗅覺不會被輕易取代。
狗的祖先是狼，後者是最早被人類馴化的動物。在很早以前，狗就融入了人類的日常生活。最近在西伯利亞南部的阿爾泰山脈發現的一個犬類頭骨證明，狼的馴化過程始於3.3萬年前，而人類定居的生活方式則有助於狼的馴化。人類撫養幼狼並從中挑選出最溫馴的，最終繁育出了最理想的生活伴侶。
超敏銳的嗅覺
狼具有敏銳的嗅覺，覆蓋範圍極廣，而且它們吃得也少。這些特點，讓狼既可以幫助主人打獵，又可以保護主人的領地。狼和人類的共棲關係改變了前者的生理（基因）和行為，使它們逐漸演化成了狗。
隨著機器、養殖業以及軍火業的出現，狗的角色也發生了變化。在以前，狗幫助主人追蹤獵物，現在人類意識到，可以利用狗的得天獨厚的嗅覺來識別那些自己覺察不到的微量氣味分子。
嗅覺系統的主要功能就是檢測和識別空氣中的氣味分子，哺乳動物的嗅覺尤其發達。對許多動物來說，檢測、區分不同氣味是生存（識別食物來源、覺察母獸或掠食者是否在附近）和繁衍（識別交配對象、判斷對方是否處於發情期）必不可少的能力。那麼也就很容易理解，為什麼在進化的過程中，這樣複雜的嗅覺系統被保留了下來。
和視覺、聽覺相比，我們對嗅覺的研究一直比較落後。直到約15年前，嗅覺研究才開始熱鬧起來。藉助基礎研究領域開發的新技術，研究者對嗅覺的機制，即氣味被外圍感覺系統——鼻子捕捉、編碼後，發送到大腦的過程，進行了深入探索。
從2007年開始，美國賓夕法尼亞大學的加里·賽特斯（Gary Settles）團隊對狗鼻腔內部的流體動力學進行了研究。他們發現，特殊的解剖結構，大大優化了氣體在狗鼻腔內部的傳輸效率，這和人類鼻子的工作方式截然不同。
優秀的狗鼻子
當人類吸氣時，用來呼吸和用來聞嗅的氣體是同一股。而在狗鼻子里，一道膜將狗吸入的氣流分成了兩股，一股進入肺部供呼吸使用，而另一股則專門用於嗅覺。
人類鼻腔內的嗅感區比狗的要小，而且沒有卷繞的結構。人類的嗅球體積僅佔大腦的0.01%，而狗的嗅球體積則占其大腦的0.31%。狗能夠分辨約50萬種氣味，而人類只能分辨1萬種。不過，人類對某些氣味分子比較敏感，比如香料和護膚品合成中常使用的戊酸，這或許是因為人類有較強的認知能力。
在吸氣的時候，狗鼻子會收縮，使氣體向上方移動。接著，一層膜將氣流一分為二，12%的吸入氣流（紅色）被送到嗅感區，其餘的氣體（藍色）會沿著咽喉進入肺部。在呼氣時，氣流沿著鼻孔側邊呼出，這可以防止呼出的氣體和吸入的氣體混合。氣味分子只集中在吸入的氣流中。
狗鼻子的肌肉還能收縮，引導吸入的氣流向上通過鼻腔內的嗅感區。2009年，賽特斯團隊利用核磁共振成像技術發現，在呼氣的時候，氣流從狗鼻子的兩個鼻孔的側邊流出。這種呼吸方式增強了狗對氣體的嗅覺感知。
除此之外，狗還有另一種特殊的嗅聞動作，進一步加強了它們對氣味的檢測。快速呼吸（每秒約6次），在狗鼻子的內部製造了一股湍流，湍流為嗅感區的受體輸送了更多的氣味分子。獵犬的嗅黏膜上還會停留著一股氣味分子氣流，即使在它們呼氣或者跑步時，這股氣體也不會消散。另外，狗的兩個鼻孔和人類不同，它們各自獨立工作，這為某些氣體的來源提供了更精確的信息。
狗鼻子裡面的嗅黏膜層層交疊，提供了巨大的接觸表面積。在嗅黏膜上，分布著對不同化學物質敏感的嗅覺受體。黏膜上的感覺神經元浸潤在黏液中，而嗅覺受體——膜蛋白就位於這些神經元向外延伸的嗅覺纖毛上。如同鬚鯨的鯨鬚可以過濾磷蝦一樣，吸入的氣味分子也會在嗅黏膜上被不同的嗅覺受體分別過濾。
和所有的哺乳動物一樣，狗的嗅覺受體也會捕捉、固定具有一定特徵（分子量、電子密度、極化率、三維組織等）的氣味分子。每個感覺神經元只表達一種特定的受體。
在嗅覺系統的另一端，嗅覺感覺神經元的軸突在嗅球上聚集成束。接著，其他神經元負責把接收到的感覺信號傳遞到大腦的初級嗅皮層和次級嗅皮層進行信號處理。
複雜的解剖結構
狗擁有非凡的嗅覺得益於它那非常發達的嗅覺器官。狗鼻子的嗅感區位於鼻腔深處的上部，由互相交疊的極薄的骨質篩板構成，篩骨上面覆蓋著一層上皮細胞。這樣的結構使嗅感區擁有較大的氣體交換面積，很容易捕捉吸入空氣中的氣味分子。核磁共振成像研究顯示，到達嗅上皮的氣流沒有和供呼吸使用的氣流混合，這有利於對氣味的識別。在嗅感區里，嗅覺神經元會利用特異性感受器捕捉氣味分子，並把檢測到的感覺信號傳遞給嗅球（下圖）。嗅球對信號進行高精度的綜合分析後再傳輸給大腦。
1999年，琳達·巴克（Linda Buck，2004年因對哺乳動物嗅覺受體的研究獲得諾貝爾醫學獎）通過鈣成像技術（能夠實時追蹤大量神經元的活動）證實，嗅黏膜中每個嗅覺受體都能對多種具有不同化學結構的氣味分子作出響應，反過來，多個嗅覺受體也會對同一種氣味分子作出反應。
一組受體被激活後，就會編碼某個氣味分子的信號。這樣，每種氣味會形成獨有的神經元激活圖示。雖然嗅覺受體種類有限（狗有1200種，人類只有400種），但通過神經元和受體的不同組合，嗅覺系統能夠區分數以萬計的天然氣味分子（狗能區分50萬種，人類能區分1萬種）。
在小鼠的嗅球中（上圖），不同的分子會引發不同區域的嗅小球的反應。圖中從左到右分別是丁醛、戊醛、己醛、庚醛、辛醛（它們分別含有4~8個碳原子）引發的反應。每種氣味分子會形成特有的嗅球細胞激活圖示。
標記氣味
狗的獨一無二的嗅覺讓它們成了優良的「探測器」。從公共安全到醫療健康，只要進行適當的訓練，狗的嗅覺在許多領域都表現出色。
在訓練初期，不管什麼品種的狗，都需要記住以後要檢測的氣味。馴犬師利用獎勵和狗狩獵的天性訓練狗：每當狗成功檢測出目標氣味，就會給狗一個玩具或者一個小點心。很快，狗就會愛上檢測任務。最重要的是，狗還會快速習得遊戲規則：要贏得獎勵的話，必須要「標記」目標氣味才行。換句話說，狗必須要學會某種條件反射行為——在目標前坐下、吠叫幾聲，然後去找主人。
訓練到位了，狗才不會在實際檢測過程中出一丁點差錯。在訓練過程中，如果狗成功判斷出場景中沒有目標氣味，或者成功拒絕了誘惑，也要獎勵它。如果狗知道自己只有在不犯錯的情況下才能獲得獎勵，那麼它們就有不犯錯的動機。經過這樣的訓練，狗寧可不「標記」，也不會「錯殺」。
根據不同的訓練目的，一些訓練會逐步增加難度，逐漸提高狗的嗅覺靈敏度。比如，如果是為了檢測地雷或炸藥，馴犬師會將包含目標氣味的教學道具藏得越來越隱蔽，讓檢測難度逐步增加。地雷或炸藥的檢測訓練一般會持續三個半月，而人體氣味的檢測訓練則要持續兩年。
追蹤炸藥
不管是對警察、憲兵，還是對公共安全或私人安保來說，狗已經成為多才多藝、不可替代，同時又彌足珍貴的救援和安全輔助力量。狗能完成多種任務，比如檢測化學物質（麻醉品、紙幣、武器、炸藥、彈藥、助燃劑等）、尋人（犯罪分子、受害者、被廢墟或雪崩掩埋的失蹤者等），或是在警方調查中識別人體氣味（odorology，狗輔助刑偵學）。
這些任務利用的，都是獵犬和牧羊犬在追逐獵物或包圍羊群的過程中演化出的追蹤能力。目前，法國的憲兵隊和警隊擁有數千隻犬。根據需求，不同的單位選育適合不同工種的犬只。
檢測化學物質（如炸藥、紙幣）的犬只通常體型較小、性格活潑，如獵狐梗、傑克羅素梗，但有時也用大型犬，如德國牧羊犬、比利時馬里努阿犬。近15年來，反恐成為了法國社會的重心，因此在人流量大的公共場所（如機場、火車站、邊境或空港區域），快速、有效地識別可疑包裹成了必不可少的活動。
由於體型小巧靈活，狗可以在人頭攢動，甚至狹窄閉塞的場所（如事故現場）快速移動，定位爆炸物和所有有害物質的源頭。即使在人群中，狗也能有效地檢測出移動的爆炸物、槍支，甚至是煙霧的氣味。就算嫌疑人已離開氣味源數米，狗也能定位嫌疑人。
因此，狗可以參與各種各樣的行動。它們既不會打草驚蛇，也不會嚇壞圍觀群眾。美國的一些研究甚至表明，狗參與行動還可以安撫人群。在法國，從2016年起，如果涉及公眾集會，警察就會用犬只來檢測爆炸物。
檢測紙幣
搶劫、毒品走私或洗錢產生的黑錢同樣也逃不過受過專門訓練的狗鼻子，這些狗能夠嗅出紙幣墨水的氣味。法蘭西銀行（Banque de France，法國央行）專門為這些狗的訓練製作了特殊的假幣，這些假幣用真鈔的紙張和油墨製成，粉碎之後壓成了磚塊的形狀。
在發表於2002年的一項研究中，法國巴黎毒物化學分析實驗室（Tox Lab）的瑪麗·拉菲特（Marie Lafitte）和同事發現，90%涉及毒品走私的紙幣都含有毒品的氣味分子。將來，接受毒品特別訓練的狗也要接受紙幣氣味的訓練，這樣它們不但能找到隱藏的毒品，還能找到毒品走私的黑錢。
逃稅的人也要小心了，受過訓練的狗會在機場仔細搜查藏匿在行李箱中的紙幣。在義大利，每年的逃稅金額估計高達2720億歐元。在2016年，紙幣搜尋犬在機場搜出了1.3億歐元的偷逃稅款。
白雪之下
即使從沒看過法國電影《靈犬雪莉》（Belle et Sébastien）的人也知道，狗在搜救失蹤者方面很有一套。如果在接受訓練後，狗學會分辨人類體味的話，它們既可以追蹤熟悉的人，也可以在不知道搜尋對象體味的情況下，在特定區域內找到倖存的人類。這就是搜救犬的職責，它們在廢墟下或雪崩後搜尋生還者。參與雪崩搜救工作的犬只還必須能夠「在積雪表面搜尋人類屍體的氣味」。搜救犬甚至能找到埋在幾米深的積雪下的罹難者！。
這種特殊的工作也需要工作犬有優秀的體能。實際上，在進行訓練的時候，這些四條腿的救護隊員要學會攀登梯子、在搖晃的木板上行走、在昏暗的坑道中滑行、翻越火坑……它們還要習慣直升飛機的懸吊，以及推土機和手提鑽發出的噪音。搜救犬一般都是比利時馬里努阿犬，因為它們能夠勝任上述各種訓練。
雖然前述的各種工作犬都只熟悉某種特定氣味，但大量研究表明，狗還善於比較同一類氣味（尤其是不同人的體味），並找出目標。要做到這一點實屬不易，因為人類的體味非常複雜。
實際上，我們的體味是由不同成分構成的。首先，基因決定了一部分體味，如人類體表的上皮細胞、汗腺以及皮脂腺分泌的化學混合物的成分（烴、醇、羧酸、酮、醛）。其次，寄居在人類體表的微生物也會發出獨特的氣味。人類體表的細菌會將汗腺分泌的長鏈脂肪酸分解為具有揮發性和特殊氣味的短鏈脂肪酸。
體味的第一種成分被研究者命名為「主要氣味」，它不隨時間變化。體味的第二種成分叫做「二級氣味」，會隨著飲食、情緒（如抑鬱、應激）而變化。最後是「三級氣味」，主要由「外部」氣味分子構成，如化妝品、肥皂、香水留下的味道。這些不同層次的氣味相互混合，形成了每個人獨特的體味。
在尋人的時候，要找的是某人留下的氣味（特殊的體味、衣物、鞋子、化妝品等人造物留下的氣味），以及被搜尋者在現場引起的變化（如被踩扁的植物和昆蟲）。狗的任務就是記住被搜尋者的氣味（也叫「參考氣味」，如被搜尋者衣物的味道），並把這個味道和現場其他氣味進行比較。
對於狗來說，任務的難點在於從周遭五花八門的氣味中分辨出參考氣味，因為其他過路人也會留下自己的氣味。只有找到了參考氣味才能追蹤目標。如果狗能夠分辨氣味的新鮮程度，那麼它就能更好地追蹤被搜尋者。
搜尋犬一般是德國牧羊犬或比利時馬里努阿犬。從2003年起，法國憲兵隊開始使用聖休伯特獵犬，因為它們不但有突出的嗅覺，還能搜尋「冷掉」的蹤跡——被搜尋者在一個小時甚至更久之前留下的氣味。這或許是因為，在聖休伯特獵犬沿著地面尋蹤的時候，它們下垂的雙耳使氣流一直保持在狗鼻子的前方。在一樁失蹤案中，聖休伯特獵犬找到了失蹤者在案發前14天留下的蹤跡。
犯罪現場
涉及人體氣味識別的刑偵工作對嗅覺靈敏度有著最高的要求。從2003年開始，法國警察科學技術中心（PTS）就致力於利用工作犬的嗅覺來識別刑事犯罪中的罪犯或受害者。罪犯或受害者會在犯罪現場或證物上留下氣味線索，類似於犯罪現場留下的DNA或者指紋。
這種技術基於三個事實。首先，根據羅卡交換定律 （Locard exchange principle,法醫學定律），「凡兩個物體接觸，必會產生轉移現象」，氣味就是如此。第二，人體氣味的理化性質會存續一段時間，可據此進行追蹤。最後，人體氣味是獨一無二的：2011年，捷克的一項研究發現，即使是住在同一個屋檐下，吃同樣食物的同卵雙胞胎，狗狗也能分辨他們的氣味差異。
專門辨認化學物質或識別人類氣味的工作犬只需要識別一種氣味就可以了。但是刑偵工作犬不一樣，它們每天都需要比較新的氣味。一開始，它們只在工作室里練習：記住警方技術人員在犯罪現場提取的氣味（參考氣味），然後把這種氣味和5種不同的氣味進行比較（見下圖）。這5種氣味被裝在盒子裡面，擺成一條線，它們分別來自和嫌疑人的年齡、人種和性別相似的人的體味。在這些盒子里，還隨機擺放著被抓獲的犯罪嫌疑人的氣味（目標氣味）。如果刑偵犬發現，參考氣味和目標氣味來自同一個人，那麼它就會坐在那個盒子前面，「標記」這個氣味。
要想讓狗學會聞出某個人的氣味的話，先要在工作室訓練它。幾個裝有不同人的氣味的盒子擺成一條線。這條線的起點擺放著需要辨認的參考氣味。在嗅過並記住參考氣味後，狗可以沿著這條線自由活動，嗅聞每個樣品的味道。
2016年，我們的團隊與PTS合作發現，進行了2年的嚴格訓練後，PTS的刑偵犬的識別正確率達到了85%。它們不會把錯誤的氣味「標記」為目標氣味：要麼正確識別出和參考氣味一樣的氣味，要麼不「標記」任何氣味。在2003~2016年間，由於刑偵犬的出色表現，法國522起訴訟案件使用了刑偵犬的技術鑒定，162起案件通過刑偵犬告破。
追蹤早期癌症
狗不但能識別人類的氣味，還能夠嗅出某些病理性氣味標記物，如癌症、低血糖、應激反應的氣味。1989年，科學家發現癌症會發出氣味，而狗可以聞出這些氣味。當年，英國國王學院醫院的海威爾·威廉斯（Hywell Williams）和安德烈斯·彭布羅克（Andres Pembroke）發表的一篇文章，討論了一位44歲女患者的情況。這名患者的寵物狗總是聞她腳踝上的一塊色素沉著病變，於是她決定去看皮膚科。在對病變部位進行活檢後，醫生髮現該病變是黑色素瘤。在另外一名男性患者身上也發生了類似的情形，後來他被查出患有皮膚癌。這些病例催生了癌症的氣味檢測研究。
實際上，癌細胞的新陳代謝和正常細胞不同，它們會在尿液中產生一些特殊分子。這種叫做生物標記的分子不會被人類立刻察覺出來，但由於它們是揮發性有機物，狗的鼻子能分辨出它們的一些氣味特徵。
用狗的嗅覺檢測癌症十分有效，並且適用於多種癌症，如膀胱癌、前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、黑色素瘤以及耳鼻喉癌。2015年，義大利米蘭人類臨床研究中心開展了一項研究，在對902名患者的檢測當中，狗識別癌症標誌物的正確率達到了98%。
2017年1月，墨西哥癌症醫院的馬里修·薩爾塞多（Mauricio Salcedo）團隊發現，經過訓練的比格犬可用於檢測某些患者的子宮癌，因為它們能夠辨識子宮癌腫瘤提取物的特殊氣味標誌物。
這些研究令人鼓舞。也許過不了多久，就可以出現用經過特別訓練的狗來識別患者尿液中的特殊揮發性癌症標誌物了。
但是，很顯然，並不是所有癌症中心都具有組建腫瘤標誌物檢測犬部門的能力。不過，法國居里研究所（l』institut Curie）的伊莎貝爾·弗羅芒坦（Isabelle Fromantin）發起了一項名為Kdog的研究計劃，訓練狗來檢測乳腺癌。弗羅芒坦想得到一石二鳥的效果：用低廉的費用檢測早期癌症，這樣就可以延長患者的生存期。
口氣中的分子
狗狗還可進行其他醫療檢測。經過簡單訓練後，低血糖病人的寵物犬可以在晚上通過口氣檢測主人是否低血糖發作。因為當低血糖發作時，患者身體因為缺乏糖元開始降解脂肪，這個過程會產生揮發性的酮體。2015年3月，索蘭·格力弗拉（Solène Grivolat）和阿諾·貝特朗（Arnaud Bertrand）創辦了Acadia協會，為糖尿病兒童的家庭提供能夠檢測高血糖或低血糖的服務犬。該協會贏得了2015年法國羅納-阿爾卑斯大區的青年才幹獎（Jeunes Talents Rh?ne-Alpes），並有望成為專註於法國糖尿病服務犬訓練的專業機構。
在美國也出現了一項用狗檢測自閉症兒童焦慮發作的服務。2013年，美國新澤西州的一家名為Calais的特殊兒童學校迎來了一條叫做Cali的服務犬，它能夠聞出皮質醇。皮質醇是腎上腺分泌的分子，處於應激狀態的兒童會呼出帶有皮質醇的口氣。由於Cali的到來，許多焦慮的兒童得到了及時的照看，因此在2015年該校又迎來了第二條服務犬Cléo。
每天，這兩個小傢伙都會歡迎小朋友來上學。在小朋友進校時，它們在很遠的地方就能聞到他們的氣味。一嗅到皮質醇的氣味，它們就會報告給主人（每隻狗都有一個從事動物治療的馴犬師），這時主人就可以立刻去安慰焦慮發作的孩子。
在沒有Cali 和 Cléo的時候，孩子們每天都會哭鬧好幾次，有時候一些孩子會連續鬧上兩三個小時。但是，Cali和Cléo來了以後，孩子們每周只有兩三次大哭大鬧，而且哭鬧時間不超過一刻鐘。2015年9月，該校獲得了動物輔助治療的最佳實踐獎。這又一次證明，我們的祖先把狼馴化成了狗真是明智之舉。
參考文獻：
S. Marchal et al., Rigorous training of dogs leads to high accuracy in human scent matching-to-sample performance, Plos One, doi : 10.1371/journal.pone.0146963, 2016.
G. Taverna et al., Sniffing out prostate cancer :A new clinical opportunity, Cent. European J. Urol., vol. 68, pp. 308-310, 2015.
B. A. Craven et al., The fluid dynamics of canine olfaction : Unique nasal airflow patterns as an explanation of macrosmia,J. R. Soc. Interface, vol. 7, pp. 933-943, 2010.
