追踪黑钱、标记气味、诊断癌症……狗年让我们聊聊无所不能的“汪星人”

可爱的“汪星人”拥有敏锐的嗅觉，这一点尽人皆知。然而你知道吗？除了缉毒与搜救，无所不能的狗狗们已经涉足司法以及医药领域，经过训练的犬只能够追踪纸币，甚至发出癌症预警。不仅如此，对于焦虑或者低血糖的人，嗅觉灵敏的狗狗也能提供可靠的帮助。

戊戌狗年到来之际，让我们衷心地感谢这群人类的好伙伴。

或许除了阮坦兰（Rantanplan，法国家喻户晓的动画角色，以憨笨著名）以外，所有的狗都有着非凡的嗅觉。狗的嗅觉就和猛禽的视觉一样，细致而精准。很早以前，人类就利用狗来追踪猎物，寻找失踪者。近几年来，狗的灵敏的嗅觉和它们活泼的个性在许多领域都有用武之地。狗能检测出毒品、武器、炸药、有害动物或植物、焦虑或者低血糖的人，甚至能分辨癌症早期的人发出的气味……狗的嗅觉非常广泛。虽然技术日新月异，但有一点可以肯定：人类最好的朋友——狗的敏锐嗅觉不会被轻易取代。

狗的祖先是狼，后者是最早被人类驯化的动物。在很早以前，狗就融入了人类的日常生活。最近在西伯利亚南部的阿尔泰山脉发现的一个犬类头骨证明，狼的驯化过程始于3.3万年前，而人类定居的生活方式则有助于狼的驯化。人类抚养幼狼并从中挑选出最温驯的，最终繁育出了最理想的生活伴侣。

超敏锐的嗅觉

狼具有敏锐的嗅觉，覆盖范围极广，而且它们吃得也少。这些特点，让狼既可以帮助主人打猎，又可以保护主人的领地。狼和人类的共栖关系改变了前者的生理（基因）和行为，使它们逐渐演化成了狗。

随着机器、养殖业以及军火业的出现，狗的角色也发生了变化。在以前，狗帮助主人追踪猎物，现在人类意识到，可以利用狗的得天独厚的嗅觉来识别那些自己觉察不到的微量气味分子。

嗅觉系统的主要功能就是检测和识别空气中的气味分子，哺乳动物的嗅觉尤其发达。对许多动物来说，检测、区分不同气味是生存（识别食物来源、觉察母兽或掠食者是否在附近）和繁衍（识别交配对象、判断对方是否处于发情期）必不可少的能力。那么也就很容易理解，为什么在进化的过程中，这样复杂的嗅觉系统被保留了下来。

和视觉、听觉相比，我们对嗅觉的研究一直比较落后。直到约15年前，嗅觉研究才开始热闹起来。借助基础研究领域开发的新技术，研究者对嗅觉的机制，即气味被外围感觉系统——鼻子捕捉、编码后，发送到大脑的过程，进行了深入探索。

从2007年开始，美国宾夕法尼亚大学的加里·赛特斯（Gary Settles）团队对狗鼻腔内部的流体动力学进行了研究。他们发现，特殊的解剖结构，大大优化了气体在狗鼻腔内部的传输效率，这和人类鼻子的工作方式截然不同。

优秀的狗鼻子

当人类吸气时，用来呼吸和用来闻嗅的气体是同一股。而在狗鼻子里，一道膜将狗吸入的气流分成了两股，一股进入肺部供呼吸使用，而另一股则专门用于嗅觉。

▲人类鼻腔内的嗅感区比狗的要小，而且没有卷绕的结构。人类的嗅球体积仅占大脑的0.01%，而狗的嗅球体积则占其大脑的0.31%。狗能够分辨约50万种气味，而人类只能分辨1万种。不过，人类对某些气味分子比较敏感，比如香料和护肤品合成中常使用的戊酸，这或许是因为人类有较强的认知能力。

▲在吸气的时候，狗鼻子会收缩，使气体向上方移动。接着，一层膜将气流一分为二，12%的吸入气流（红色）被送到嗅感区，其余的气体（蓝色）会沿着咽喉进入肺部。在呼气时，气流沿着鼻孔侧边呼出，这可以防止呼出的气体和吸入的气体混合。气味分子只集中在吸入的气流中。

狗鼻子的肌肉还能收缩，引导吸入的气流向上通过鼻腔内的嗅感区。2009年，赛特斯团队利用核磁共振成像技术发现，在呼气的时候，气流从狗鼻子的两个鼻孔的侧边流出。这种呼吸方式增强了狗对气体的嗅觉感知。

除此之外，狗还有另一种特殊的嗅闻动作，进一步加强了它们对气味的检测。快速呼吸（每秒约六次），在狗鼻子的内部制造了一股湍流，湍流为嗅感区的受体输送了更多的气味分子。猎犬的嗅黏膜上还会停留着一股气味分子气流，即使在它们呼气或者跑步时，这股气体也不会消散。另外，狗的两个鼻孔和人类不同，它们各自独立工作，这为某些气体的来源提供了更精确的信息。

狗鼻子里面的嗅黏膜层层交叠，提供了巨大的接触表面积。在嗅黏膜上，分布着对不同化学物质敏感的嗅觉受体。黏膜上的感觉神经元浸润在黏液中，而嗅觉受体——膜蛋白就位于这些神经元向外延伸的嗅觉纤毛上。如同须鲸的鲸须可以过滤磷虾一样，吸入的气味分子也会在嗅黏膜上被不同的嗅觉受体分别过滤。

和所有的哺乳动物一样，狗的嗅觉受体也会捕捉、固定具有一定特征（分子量、电子密度、极化率、三维组织等）的气味分子。每个感觉神经元只表达一种特定的受体。

在嗅觉系统的另一端，嗅觉感觉神经元的轴突在嗅球上聚集成束。接着，其他神经元负责把接收到的感觉信号传递到大脑的初级嗅皮层和次级嗅皮层进行信号处理。

▲复杂的解剖结构。狗拥有非凡的嗅觉得益于它那非常发达的嗅觉器官。狗鼻子的嗅感区位于鼻腔深处的上部，由互相交叠的极薄的骨质筛板构成，筛骨上面覆盖着一层上皮细胞。这样的结构使嗅感区拥有较大的气体交换面积，很容易捕捉吸入空气中的气味分子。核磁共振成像研究显示，到达嗅上皮的气流没有和供呼吸使用的气流混合，这有利于对气味的识别。在嗅感区里，嗅觉神经元会利用特异性感受器捕捉气味分子，并把检测到的感觉信号传递给嗅球。嗅球对信号进行高精度的综合分析后再传输给大脑。

1999年，琳达·巴克（Linda Buck，2004年因对哺乳动物嗅觉受体的研究获得诺贝尔医学奖）通过钙成像技术（能够实时追踪大量神经元的活动）证实，嗅黏膜中每个嗅觉受体都能对多种具有不同化学结构的气味分子作出响应，反过来，多个嗅觉受体也会对同一种气味分子作出反应。

一组受体被激活后，就会编码某个气味分子的信号。这样，每种气味会形成独有的神经元激活图示。虽然嗅觉受体种类有限（狗有1200种，人类只有400种），但通过神经元和受体的不同组合，嗅觉系统能够区分数以万计的天然气味分子（狗能区分50万种，人类能区分一万种）。

▲在小鼠的嗅球中，不同的分子会引发不同区域的嗅小球的反应。图中从左到右分别是丁醛、戊醛、己醛、庚醛、辛醛（它们分别含有4-8个碳原子）引发的反应。每种气味分子会形成特有的嗅球细胞激活图示。

标记气味

狗的独一无二的嗅觉让它们成了优良的“探测器”。从公共安全到医疗健康，只要进行适当的训练，狗的嗅觉在许多领域都表现出色。

在训练初期，不管什么品种的狗，都需要记住以后要检测的气味。驯犬师利用奖励和狗狩猎的天性训练狗：每当狗成功检测出目标气味，就会给狗一个玩具或者一个小点心。很快，狗就会爱上检测任务。最重要的是，狗还会快速习得游戏规则：要赢得奖励的话，必须要“标记”目标气味才行。换句话说，狗必须要学会某种条件反射行为——在目标前坐下、吠叫几声，然后去找主人。

训练到位了，狗才不会在实际检测过程中出一丁点差错。在训练过程中，如果狗成功判断出场景中没有目标气味，或者成功拒绝了诱惑，也要奖励它。如果狗知道自己只有在不犯错的情况下才能获得奖励，那么它们就有不犯错的动机。经过这样的训练，狗宁可不“标记”，也不会“错杀”。

根据不同的训练目的，一些训练会逐步增加难度，逐渐提高狗的嗅觉灵敏度。比如，如果是为了检测地雷或炸药，驯犬师会将包含目标气味的教学道具藏得越来越隐蔽，让检测难度逐步增加。地雷或炸药的检测训练一般会持续三个半月，而人体气味的检测训练则要持续两年。

追踪炸药

不管是对警察、宪兵，还是对公共安全或私人安保来说，狗已经成为多才多艺、不可替代，同时又弥足珍贵的救援和安全辅助力量。狗能完成多种任务，比如检测化学物质（麻醉品、纸币、武器、炸药、弹药、助燃剂等）、寻人（犯罪分子、受害者、被废墟或雪崩掩埋的失踪者等），或是在警方调查中识别人体气味（odorology，狗辅助刑侦学）。

这些任务利用的，都是猎犬和牧羊犬在追逐猎物或包围羊群的过程中演化出的追踪能力。目前，法国的宪兵队和警队拥有数千只犬。根据需求，不同的单位选育适合不同工种的犬只。

检测化学物质（如炸药、纸币）的犬只通常体型较小、性格活泼，如猎狐梗、杰克罗素梗，但有时也用大型犬，如德国牧羊犬、比利时马里努阿犬。近15年来，反恐成为了法国社会的重心，因此在人流量大的公共场所（如机场、火车站、边境或空港区域），快速、有效地识别可疑包裹成了必不可少的活动。

由于体型小巧灵活，狗可以在人头攒动，甚至狭窄闭塞的场所（如事故现场）快速移动，定位爆炸物和所有有害物质的源头。即使在人群中，狗也能有效地检测出移动的爆炸物、枪支，甚至是烟雾的气味。就算嫌疑人已离开气味源数米，狗也能定位嫌疑人。

因此，狗可以参与各种各样的行动。它们既不会打草惊蛇，也不会吓坏围观群众。美国的一些研究甚至表明，狗参与行动还可以安抚人群。在法国，从2016年起，如果涉及公众集会，警察就会用犬只来检测爆炸物。

检测纸币

抢劫、毒品走私或洗钱产生的黑钱同样也逃不过受过专门训练的狗鼻子，这些狗能够嗅出纸币墨水的气味。法兰西银行（Banque de France，法国央行）专门为这些狗的训练制作了特殊的假币，这些假币用真钞的纸张和油墨制成，粉碎之后压成了砖块的形状。

在发表于2002年的一项研究中，法国巴黎毒物化学分析实验室（Tox Lab）的玛丽·拉菲特（Marie Lafitte）和同事发现，90%涉及毒品走私的纸币都含有毒品的气味分子。将来，接受毒品特别训练的狗也要接受纸币气味的训练，这样它们不但能找到隐藏的毒品，还能找到毒品走私的黑钱。

逃税的人也要小心了，受过训练的狗会在机场仔细搜查藏匿在行李箱中的纸币。在意大利，每年的逃税金额估计高达2720亿欧元。在2016年，纸币搜寻犬在机场搜出了1.3亿欧元的偷逃税款。

白雪之下

即使从没看过法国电影《灵犬雪莉》（Belle et Sébastien）的人也知道，狗在搜救失踪者方面很有一套。如果在接受训练后，狗学会分辨人类体味的话，它们既可以追踪熟悉的人，也可以在不知道搜寻对象体味的情况下，在特定区域内找到幸存的人类。这就是搜救犬的职责，它们在废墟下或雪崩后搜寻生还者。参与雪崩搜救工作的犬只还必须能够“在积雪表面搜寻人类尸体的气味”。搜救犬甚至能找到埋在几米深的积雪下的罹难者！

这种特殊的工作也需要工作犬有优秀的体能。实际上，在进行训练的时候，这些四条腿的救护队员要学会攀登梯子、在摇晃的木板上行走、在昏暗的坑道中滑行、翻越火坑……它们还要习惯直升飞机的悬吊，以及推土机和手提钻发出的噪音。搜救犬一般都是比利时马里努阿犬，因为它们能够胜任上述各种训练。

虽然前述的各种工作犬都只熟悉某种特定气味，但大量研究表明，狗还善于比较同一类气味（尤其是不同人的体味），并找出目标。要做到这一点实属不易，因为人类的体味非常复杂。

实际上，我们的体味是由不同成分构成的。首先，基因决定了一部分体味，如人类体表的上皮细胞、汗腺以及皮脂腺分泌的化学混合物的成分（烃、醇、羧酸、酮、醛）。其次，寄居在人类体表的微生物也会发出独特的气味。人类体表的细菌会将汗腺分泌的长链脂肪酸分解为具有挥发性和特殊气味的短链脂肪酸。

体味的第一种成分被研究者命名为“主要气味”，它不随时间变化。体味的第二种成分叫做“二级气味”，会随着饮食、情绪（如抑郁、应激）而变化。最后是“三级气味”，主要由“外部”气味分子构成，如化妆品、肥皂、香水留下的味道。这些不同层次的气味相互混合，形成了每个人独特的体味。

在寻人的时候，要找的是某人留下的气味（特殊的体味、衣物、鞋子、化妆品等人造物留下的气味），以及被搜寻者在现场引起的变化（如被踩扁的植物和昆虫）。狗的任务就是记住被搜寻者的气味（也叫“参考气味”，如被搜寻者衣物的味道），并把这个味道和现场其他气味进行比较。

对于狗来说，任务的难点在于从周遭五花八门的气味中分辨出参考气味，因为其他过路人也会留下自己的气味。只有找到了参考气味才能追踪目标。如果狗能够分辨气味的新鲜程度，那么它就能更好地追踪被搜寻者。

搜寻犬一般是德国牧羊犬或比利时马里努阿犬。从2003年起，法国宪兵队开始使用圣休伯特猎犬，因为它们不但有突出的嗅觉，还能搜寻“冷掉”的踪迹——被搜寻者在一个小时甚至更久之前留下的气味。这或许是因为，在圣休伯特猎犬沿着地面寻踪的时候，它们下垂的双耳使气流一直保持在狗鼻子的前方。在一桩失踪案中，圣休伯特猎犬找到了失踪者在案发前14天留下的踪迹。

犯罪现场

涉及人体气味识别的刑侦工作对嗅觉灵敏度有着最高的要求。从2003年开始，法国警察科学技术中心（PTS）就致力于利用工作犬的嗅觉来识别刑事犯罪中的罪犯或受害者。罪犯或受害者会在犯罪现场或证物上留下气味线索，类似于犯罪现场留下的DNA或者指纹。

这种技术基于三个事实。首先，根据罗卡交换定律 （Locard exchange principle,法医学定律），“凡两个物体接触，必会产生转移现象”，气味就是如此。第二，人体气味的理化性质会存续一段时间，可据此进行追踪。最后，人体气味是独一无二的：2011年，捷克的一项研究发现，即使是住在同一个屋檐下，吃同样食物的同卵双胞胎，狗狗也能分辨他们的气味差异。

专门辨认化学物质或识别人类气味的工作犬只需要识别一种气味就可以了。但是刑侦工作犬不一样，它们每天都需要比较新的气味。一开始，它们只在工作室里练习：记住警方技术人员在犯罪现场提取的气味（参考气味），然后把这种气味和5种不同的气味进行比较（见下图）。这5种气味被装在盒子里面，摆成一条线，它们分别来自和嫌疑人的年龄、人种和性别相似的人的体味。在这些盒子里，还随机摆放着被抓获的犯罪嫌疑人的气味（目标气味）。如果刑侦犬发现，参考气味和目标气味来自同一个人，那么它就会坐在那个盒子前面，“标记”这个气味。

▲要想让狗学会闻出某个人的气味的话，先要在工作室训练它。几个装有不同人的气味的盒子摆成一条线。这条线的起点摆放着需要辨认的参考气味。在嗅过并记住参考气味后，狗可以沿着这条线自由活动，嗅闻每个样品的味道。

2016年，我们的团队与PTS合作发现，进行了两年的严格训练后，PTS的刑侦犬的识别正确率达到了85%。它们不会把错误的气味“标记”为目标气味：要么正确识别出和参考气味一样的气味，要么不“标记”任何气味。在2003-2016年间，由于刑侦犬的出色表现，法国522起诉讼案件使用了刑侦犬的技术鉴定，162起案件通过刑侦犬告破。

追踪早期癌症

狗不但能识别人类的气味，还能够嗅出某些病理性气味标记物，如癌症、低血糖、应激反应的气味。1989年，科学家发现癌症会发出气味，而狗可以闻出这些气味。当年，英国国王学院医院的海威尔·威廉斯（Hywell Williams）和安德烈斯·彭布罗克（Andres Pembroke）发表的一篇文章，讨论了一位44岁女患者的情况。这名患者的宠物狗总是闻她脚踝上的一块色素沉着病变，于是她决定去看皮肤科。在对病变部位进行活检后，医生发现该病变是黑色素瘤。在另外一名男性患者身上也发生了类似的情形，后来他被查出患有皮肤癌。这些病例催生了癌症的气味检测研究。

实际上，癌细胞的新陈代谢和正常细胞不同，它们会在尿液中产生一些特殊分子。这种叫做生物标记的分子不会被人类立刻察觉出来，但由于它们是挥发性有机物，狗的鼻子能分辨出它们的一些气味特征。

用狗的嗅觉检测癌症十分有效，并且适用于多种癌症，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，意大利米兰人类临床研究中心开展了一项研究，在对902名患者的检测当中，狗识别癌症标志物的正确率达到了98%。

2017年1月，墨西哥癌症医院的马里修·萨尔塞多（Mauricio Salcedo）团队发现，经过训练的比格犬可用于检测某些患者的子宫癌，因为它们能够辨识子宫癌肿瘤提取物的特殊气味标志物。

这些研究令人鼓舞。也许过不了多久，就可以出现用经过特别训练的狗来识别患者尿液中的特殊挥发性癌症标志物了。

但是，很显然，并不是所有癌症中心都具有组建肿瘤标志物检测犬部门的能力。不过，法国居里研究所（l’institut Curie）的伊莎贝尔·弗罗芒坦（Isabelle Fromantin）发起了一项名为Kdog的研究计划，训练狗来检测乳腺癌。弗罗芒坦想得到一石二鸟的效果：用低廉的费用检测早期癌症，这样就可以延长患者的生存期。

口气中的分子

狗狗还可进行其他医疗检测。经过简单训练后，低血糖病人的宠物犬可以在晚上通过口气检测主人是否低血糖发作。因为当低血糖发作时，患者身体因为缺乏糖元开始降解脂肪，这个过程会产生挥发性的酮体。2015年3月，索兰·格力弗拉（Solène Grivolat）和阿诺·贝特朗（Arnaud Bertrand）创办了Acadia协会，为糖尿病儿童的家庭提供能够检测高血糖或低血糖的服务犬。该协会赢得了2015年法国罗纳-阿尔卑斯大区的青年才干奖，并有望成为专注于法国糖尿病服务犬训练的专业机构。

在美国也出现了一项用狗检测自闭症儿童焦虑发作的服务。2013年，美国新泽西州的一家名为Calais的特殊儿童学校迎来了一条叫做Cali的服务犬，它能够闻出皮质醇。皮质醇是肾上腺分泌的分子，处于应激状态的儿童会呼出带有皮质醇的口气。由于Cali的到来，许多焦虑的儿童得到了及时的照看，因此在2015年该校又迎来了第二条服务犬Cléo。

每天，这两个小家伙都会欢迎小朋友来上学。在小朋友进校时，它们在很远的地方就能闻到他们的气味。一嗅到皮质醇的气味，它们就会报告给主人（每只狗都有一个从事动物治疗的驯犬师），这时主人就可以立刻去安慰焦虑发作的孩子。

在没有Cali 和 Cléo的时候，孩子们每天都会哭闹好几次，有时候一些孩子会连续闹上两三个小时。但是，Cali和Cléo来了以后，孩子们每周只有两三次大哭大闹，而且哭闹时间不超过一刻钟。2015年9月，该校获得了动物辅助治疗的最佳实践奖。这又一次证明，我们的祖先把狼驯化成了狗真是明智之举。

责任编辑：顾军

转载自环球科学Scientific American|撰文：巴巴拉·费里|翻译：徐寒易