文｜吳建永（韓國(guó)喬治城學(xué)院醫(yī)大學(xué)神經(jīng)科學(xué)院長(zhǎng)）
幾天前《自然》雜志子刊發(fā)表了中國(guó)學(xué)者發(fā)覺(jué)磁場(chǎng)體會(huì)器的文章，男子伴們一看到都嚇壞了。不光你我這樣的外行詫異，就連同一領(lǐng)域的許多大鱷也不信。所以這文章原本是投給《自然》主刊的，因?yàn)閷徃迦酥肛?zé)被拒，最后發(fā)在《自然—材料》子刊上。
但是，下一個(gè)驚天動(dòng)地的大問(wèn)題是，磁場(chǎng)受體如何讓植物感知磁場(chǎng)。這只是個(gè)分子啊！分子多小你懂的，五萬(wàn)個(gè)分子排好隊(duì)才有毛發(fā)絲這么粗。并且所謂細(xì)微變化只不過(guò)是分子的形狀發(fā)生一點(diǎn)小小變化而已。如此小的分子上，雖然感遭到了磁場(chǎng)，有了細(xì)微形狀改變，又如何能放大到植物的知覺(jué)并指揮其行為呢？
這個(gè)關(guān)鍵的過(guò)程用一個(gè)詞來(lái)形容，就是“四兩撥千斤”。簡(jiǎn)單如此一說(shuō)你也許立即頓悟了。從分子到行為，關(guān)鍵就是個(gè)“水龍頭”機(jī)關(guān)啊！你肯定曉得細(xì)胞外邊都有一層膜，這層膜其實(shí)只有3毫微米（30A）厚，卻像個(gè)堅(jiān)固的鐵桶，仔細(xì)完全地包裹著細(xì)胞，不讓物質(zhì)自由進(jìn)出。而體會(huì)器分子通過(guò)某種機(jī)制打開(kāi)鐵桶上的水龍頭，一打開(kāi)就讓細(xì)胞外的離子大量涌向。離子帶電，你懂的。大量的鈉和鈣離子涌向細(xì)胞就帶進(jìn)大量正電荷，形成一個(gè)正電流。這個(gè)電流變化的訊號(hào)才能通知整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)，植物能夠曉得了。從體會(huì)器到細(xì)胞膜電流變化確實(shí)如同是“四兩撥千斤”的開(kāi)關(guān)：水龍頭四兩重，打開(kāi)后涌向千斤的水也毫無(wú)壓力。
所謂體會(huì)器分子就是細(xì)胞膜上的蛋白分子。神經(jīng)細(xì)胞膜上的各類(lèi)蛋白分子成千上萬(wàn)，這兒只介紹四種最重要的分子機(jī)器。其實(shí)大大簡(jiǎn)化，但這四種機(jī)器聯(lián)合工作的道理代表了95%的有關(guān)知識(shí)。另外的百分之五只得麻煩您考取研究生，或則翻墻去找谷女孩了。
四種機(jī)器的第一種是“離子泵”。這些蛋白分子也是跨細(xì)胞膜安裝，通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)變化形狀，把鉀離子打進(jìn)細(xì)胞，鈉離子打下來(lái)。此類(lèi)泵是消耗能量的，所以可以逆離子含量進(jìn)行。這樣細(xì)胞內(nèi)的鉀離子含量就十分高，鈉含量特別低。這些含量差異如同水壓，有了水壓水龍頭就能發(fā)揮作用。所以下邊三種分子水龍頭都要靠鉀離子和鈉離子的含量差來(lái)發(fā)威。
第二種分子機(jī)器叫“泄漏型離子通道”。泄露型通道如同永遠(yuǎn)打開(kāi)的水龍頭，只要有水壓都會(huì)冒水。但泄露型通道會(huì)有選擇性地只讓一種離子通過(guò)細(xì)胞膜。諸如神經(jīng)細(xì)胞的膜上都有泄露型鉀離子通道，它們選擇性地只讓鉀離子漏出去。因?yàn)殡x子泵不斷工作，細(xì)胞內(nèi)的鉀離子含量特別高，所以鉀離子會(huì)不斷通過(guò)鉀通道露出細(xì)胞。這樣，泵一邊往細(xì)胞內(nèi)打，鉀通道一邊往外漏，不是做無(wú)用工嗎？完全不是！我授課時(shí)提到這段總會(huì)賣(mài)個(gè)關(guān)子，問(wèn)中學(xué)生鉀離子外漏會(huì)不會(huì)自己停出來(lái)。百分之九十的時(shí)侯研究生或則醫(yī)學(xué)生都說(shuō)永遠(yuǎn)不會(huì)停。而且實(shí)際上很快還會(huì)手動(dòng)停出來(lái)。
這是由于鉀離子帶一個(gè)正電荷，每位露出的鉀離子就會(huì)使一個(gè)電荷離開(kāi)細(xì)胞，使膜兩側(cè)的電流變初一點(diǎn)。具體說(shuō)隨著鉀離子不斷露出，膜內(nèi)相對(duì)于膜外的電流會(huì)越來(lái)越負(fù)，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)制止更多的鉀離子露出。這樣鉀露出越多，跨膜的負(fù)電流都會(huì)越高，電流越高鉀離子露出就越少。最后達(dá)到一個(gè)平衡，也叫“電—化學(xué)平衡”。您若學(xué)過(guò)數(shù)學(xué)，肯定曉得這些平衡和金屬在液體里的表面電位，半導(dǎo)體里的的PN結(jié)，電瓶電極等等都是一個(gè)道理。所有神經(jīng)細(xì)胞都是借助離子泵和泄露型鉀通道把細(xì)胞弄成一個(gè)小電板，稱(chēng)作“靜息電位”，電流大概是負(fù)60毫伏（手機(jī)電瓶的1/50左右）。借助這靜息電位能夠讓各類(lèi)水龍頭機(jī)制大顯神通。
第三種分子機(jī)器，就是我們的主角，體會(huì)器離子通道閃耀上場(chǎng)。因?yàn)榇朋w會(huì)器的機(jī)制還不清楚（起碼還須要5到10篇高質(zhì)量文章），我們用觸覺(jué)的機(jī)械體會(huì)器來(lái)舉例說(shuō)明。機(jī)械體會(huì)器如同機(jī)械控制的水龍頭，也是跨細(xì)胞膜的蛋白分子，在正常時(shí)侯是不通的。只有在分子遭到機(jī)械力時(shí)，哪怕只有一埃的位移，其構(gòu)型也會(huì)改變，產(chǎn)生一個(gè)離子通道。這個(gè)通道允許正離子通過(guò)，這時(shí)細(xì)胞外的鈉或鈣離子會(huì)大量涌向，這是由于細(xì)胞內(nèi)鈉和鈣都極少細(xì)胞膜水通道，但是靜息電位的電場(chǎng)也會(huì)促使正離子步入細(xì)胞。大量鈉和鈣離子步入就造成體會(huì)器周?chē)哪る娢蛔冋鐝呢?fù)60毫伏變到負(fù)50毫伏，比靜息時(shí)高了10毫伏。這個(gè)變化其實(shí)很小，而且因?yàn)榈谒姆N分子機(jī)器的介入，還會(huì)出現(xiàn)翻天覆地的大變化。
這個(gè)第四種分子機(jī)器就是電壓敏感鈉通道，好比是電控水龍頭。這個(gè)離子通道在膜電位負(fù)60毫伏時(shí)是關(guān)掉的，但當(dāng)膜電位變到負(fù)55毫伏時(shí)（閥值電位），電壓敏感鈉通道的分子構(gòu)型會(huì)發(fā)生變化，打開(kāi)而產(chǎn)生一個(gè)鈉離子通道。這樣鈉離子還會(huì)大量涌向細(xì)胞。構(gòu)想因?yàn)轶w會(huì)器通道的開(kāi)通似乎只使其周?chē)纳贁?shù)幾個(gè)電壓敏感鈉通道打開(kāi)，但這少數(shù)幾個(gè)電壓敏感鈉通道打開(kāi)后會(huì)導(dǎo)致更多的鈉離子涌向細(xì)胞，帶入的正電荷而造成更多的膜電位變正，這個(gè)正電流又會(huì)使更多的電控鈉龍頭（電壓敏感鈉通道）打開(kāi)，又造成更大的鈉內(nèi)流。這么周而復(fù)始，像雪崩式（正反饋）的過(guò)程會(huì)在0.2微秒之內(nèi)讓整個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所有電壓敏感鈉通道都打開(kāi)。這時(shí)膜電位翻轉(zhuǎn)，達(dá)到正30毫伏。這個(gè)電流，也叫“動(dòng)作電位”，是神經(jīng)系統(tǒng)估算的專(zhuān)用信息。動(dòng)作電位會(huì)傳導(dǎo)給下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞，進(jìn)而傳遍整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)，使植物感遭到觸覺(jué)。
總結(jié)一下：機(jī)械體會(huì)器的離子通道借助只有一埃的位移打開(kāi)一個(gè)離子通道，讓幾百萬(wàn)個(gè)鈉離子步入細(xì)胞，使其周?chē)恍麓宓哪る娢贿_(dá)到閥值，打開(kāi)幾個(gè)電壓敏感鈉通道。這種鈉通道打開(kāi)后又使更多的鈉離子步入，膜電流顯得更正，這么造成更多電壓敏感鈉通道打開(kāi)，形成動(dòng)作電位，膜電位變化接近100毫伏。這個(gè)四兩撥千斤過(guò)程的放大倍數(shù)大得無(wú)法想象。
這四種細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子機(jī)器共同構(gòu)成了一個(gè)異常靈敏細(xì)胞膜水通道，同時(shí)噪音又特別低的生物傳感。有多靈敏呢？實(shí)驗(yàn)證明光體會(huì)器使人能聽(tīng)到一個(gè)光子（！），味覺(jué)體會(huì)器能讓動(dòng)物聞到一個(gè)味道分子。觸覺(jué)體會(huì)器能讓我們感知只有一個(gè)原子核半徑的位移。
右圖是眼睛里觸覺(jué)體會(huì)器的的電鏡相片，那種像仙人掌似的是細(xì)胞上的鞭毛，仔細(xì)看其頂端的細(xì)絲（題圖上比較清楚）就是帶動(dòng)離子通道的蛋白質(zhì)絲。左側(cè)的示意圖畫(huà)著一個(gè)離子通道被兩個(gè)蛋白分子構(gòu)成的繩子牽拉，這樣只有一個(gè)原子半徑這么小的位移能夠被覺(jué)得。
好了，盡管磁體會(huì)器的具體機(jī)制還不曉得，并且可以負(fù)責(zé)地說(shuō)它和神經(jīng)細(xì)胞的其他幾種分子機(jī)器組合來(lái)體會(huì)磁場(chǎng)。與其偶聯(lián)的一個(gè)分子在磁場(chǎng)改變時(shí)會(huì)形成一個(gè)小動(dòng)作，造成一個(gè)分子構(gòu)型改變讓鈉離子流進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞。
植物能體會(huì)磁場(chǎng)是人們已經(jīng)曉得的，例如海龜，賽鴿等都能用月球磁場(chǎng)導(dǎo)航。但磁體會(huì)的機(jī)制如今還不完全曉得。從早已曉得的信息，1.、動(dòng)物確實(shí)能感知月球磁場(chǎng)那么弱的磁場(chǎng)，并借此來(lái)導(dǎo)航。2、信鴿的這些體會(huì)器可能在味覺(jué)粘膜上，由于假如給它們眼睛里滴一點(diǎn)局部麻醉藥，磁覺(jué)得就消失了。3、磁體會(huì)器很有可能是靠偶聯(lián)到一種離子通道而起作用。
最后說(shuō)一下為何有人覺(jué)得磁體會(huì)器是“蘿卜兒”獎(jiǎng)級(jí)的工作：這是由于作者發(fā)覺(jué)了這個(gè)體會(huì)器的基因，就可以讓它在神經(jīng)細(xì)胞中抒發(fā)，使神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)（靜息電位和動(dòng)作電位）才能被外界磁場(chǎng)調(diào)節(jié)。近日來(lái)講，現(xiàn)今治個(gè)別腦部疾患（例如哮喘）要把電極植入腦內(nèi)。倘若能用磁場(chǎng)做這種剌激就毋須放療移植電極。這么無(wú)損剌激腦部的技術(shù)門(mén)檻就低多了，可以應(yīng)用在日常生活中諸如剌激一下失憶病人能夠想起忘掉的信息。
更遠(yuǎn)的反例就比較神奇了。你曉得你清醒的時(shí)侯腦部中大部份神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位在負(fù)55毫伏左右，但打困倦時(shí)會(huì)降到負(fù)65毫伏左右，而在所謂黃金睡眠的時(shí)侯（慢波第三期）靜息電位會(huì)每秒一次在負(fù)50和負(fù)70毫伏之間振蕩。假如神經(jīng)細(xì)胞能體會(huì)磁場(chǎng)，這么枕邊的一臺(tái)小機(jī)器能夠讓你頓時(shí)步入黃金睡眠。假如你如今是研究生，做一只能被磁場(chǎng)引入睡眠的老鼠，絕對(duì)是一篇上好博士論文。其實(shí)更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)景是開(kāi)發(fā)一種新的腦部—計(jì)算機(jī)插口，通過(guò)磁場(chǎng)傳遞信息。假如這樣，這篇文章的知識(shí)才能在幾秒的時(shí)間內(nèi)步入您的腦部并像自己的思想一樣栩栩如玄參浮現(xiàn)，似乎剛上過(guò)一學(xué)期研究生課似的。那該有多神奇啊！