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人体细胞如何发“电报”
来源:科普时报 作者: 时间:2021年08月16日  15:06


视觉中国供图

“滴……滴滴……”,寂静的深夜里,情报人员在聚精会神地发报,把紧急军情传递给战友。这种谍战片中的场景,也在我们的身体中发生——数以亿计的细胞,通过传递信号使构成人体的60万亿个细胞团结一心。

细胞们是如何“发报”的呢?

细胞间传递的竟然也是电。不同于发报机发出的无线电波,这是一种微弱的可通过细胞膜传导的生物电。早在公元18世纪,意大利生物学家伽伐尼就发现了生物电。一个偶然的机会,他把剥了皮的青蛙挂在铜钩上,铜钩又挂到凉台的铁栏杆上。铁栏杆和蛙腿接触的瞬间,蛙腿就跳动了一下。家人惊恐地以为是闹鬼,伽伐尼却认为这是生物电的作用。他设计了一个实验:制备两个蛙腿,其中A蛙腿的肌肉划开一个伤口,B蛙腿的坐骨神经被放到伤口部位,B蛙腿的与坐骨神经相连的肌肉在那个瞬间发生一次跳动,说明肌肉跳动可以不依赖于铜铁等金属,由生物体内的电流造成。这个实验引起了意大利物理学家伏特的兴趣。伏特认为不同的金属接触会产生电流,电流作用于肌肉会引起肌肉收缩。伏特通过实验发明了原电池,他的名字“Volta”也成为电压的电位。两位科学家从同一个现象出发,一个发现了生物电,一个发明了电池,都在科学史上具有重要意义。

生物体可以产生电流,产生电流的原理过了一百多年才逐渐被科学家知晓。20世纪50年代,英国生理学家霍奇金等人通过枪乌贼实验发现了静息电位。霍奇金将直径为 0.1毫米、内部充满海水的毛细玻璃管,纵向插入枪乌贼的巨大神经轴突,作为细胞内电极,将另一电极置于浸泡细胞的海水中,通过电压钳在毛细玻璃管尖端和细胞外电极之间记录到约 60毫伏的电位差,细胞内为负电位。霍奇金的发现获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖,他首次记录到细胞的跨膜电位,为电生理的研究打下基础。

过了20多年,科学家才确认静息电位是由钾离子的跨膜流动引起的。钾离子主要分布在细胞内,即细胞内的钾离子浓度远远高于细胞外。安静状态下,细胞膜对钾离子通透性大,对其他离子通透性很小,这是因为细胞膜上有一种“漏钾通道”,只允许钾离子通过。因此,钾离子会顺着浓度差向细胞外流动,从而形成一种内负外正的电位差。带正电荷的钾离子流动会形成一种阻碍其流动的电场力,使电位差在负60毫伏左右达到平衡。

当细胞受到刺激——其他细胞传来的电流,细胞上的钠离子通道就会开放。钠离子在细胞外的浓度远高于细胞内,带正电荷的钠离子通过通道流入细胞内,使细胞出现一次快速的电位波动。如果通过仪器来观察,它就像一个尖峰,好比发报机传出的那一声短促的“滴”声。接下来,它可以传遍整个细胞膜,再通过细胞间的突触传递给下一个细胞。该电位因其接受刺激的大小而表现为不同的频率,即产生每秒钟次数不等的电信号,形成一连串类似摩尔斯电码的“滴……滴滴……滴滴滴……”将信号不断传递开去。

并非所有细胞都具有发“电报”功能,比如血细胞、骨细胞、表皮细胞、毛发细胞都不会产生生物电,也就无法发“电报”。人体中具有发报功能的是神经细胞、肌细胞和腺细胞,它们是非常活跃的“情报员”,无时无刻不在监视着机体的内外环境,忠实执行着“情报工作”。如果说神经细胞是消息灵通的“高级特工”,那么肌细胞和腺细胞这些“基层特工”除了收发情报还要执行任务,也就是收到电信号再通过生理生化反应引起肌肉运动和腺体分泌,表现在日常生活中就是心跳、呼吸、走路、说话、思考问题和新陈代谢,等等。

下一次在显微镜下观察细胞,我们就知道它们都是活生生的个体,把它们紧紧团结在一起,形成可以做出各种行为、执行各种功能的生命有机物的物质,就是肉眼看不见的永不消逝的电活动。

(作者系华中师范大学副教授,湖北省生理学会理事)



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