文｜吳建永（美國喬治城大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授）

幾天前《自然》雜志子刊發(fā)表了中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)磁場感受器的文章,，小伙伴們一聽到都驚呆了。不光你我這樣的外行吃驚,，就連同一領(lǐng)域的許多大佬也不信,。所以這文章本來是投給《自然》主刊的，由于審稿人質(zhì)疑被拒,，最后發(fā)在《自然—材料》子刊上,。

然而，下一個驚天動地的大問題是,，磁場受體怎么讓動物感知磁場,。這只是個分子啊,！分子多小你懂的,，五萬個分子排好隊才有頭發(fā)絲那么粗。而且所謂細(xì)微變化只不過是分子的形狀發(fā)生一點(diǎn)小小變化而已,。這么小的分子上,，即使感受到了磁場，有了細(xì)微形狀改變，又怎樣能放大到動物的知覺并指揮其行為呢,？

這個關(guān)鍵的過程用一個詞來形容,，就是“四兩撥千斤”。簡單這么一說你或許立刻頓悟了,。從分子到行為,，關(guān)鍵就是個“水龍頭”機(jī)關(guān)啊,！ 你肯定知道細(xì)胞外面都有一層膜,，這層膜雖然只有3毫微米（30A）厚，卻像個結(jié)實的鐵桶,，仔細(xì)完全地包裹著細(xì)胞,，不讓物質(zhì)自由進(jìn)出。而感受器分子通過某種機(jī)制打開鐵桶上的水龍頭,，一打開就讓細(xì)胞外的離子大量涌入,。 離子帶電，你懂的,。大量的鈉和鈣離子涌入細(xì)胞就帶進(jìn)大量正電荷,，產(chǎn)生一個正電壓。這個電壓變化的信號就能通知整個神經(jīng)系統(tǒng),，動物就能知道了,。從感受器到細(xì)胞膜電壓變化確實就像是“四兩撥千斤”的開關(guān)：水龍頭四兩重，打開后涌入千斤的水也毫無壓力,。

所謂感受器分子就是細(xì)胞膜上的蛋白分子,。神經(jīng)細(xì)胞膜上的各種蛋白分子成千上萬，這里只介紹四種最重要的分子機(jī)器,。雖然大大簡化,，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。另外的百分之五只好麻煩您報考研究生,，或者翻墻去找谷姑娘了,。

四種機(jī)器的第一種是“離子泵”。這種蛋白分子也是跨細(xì)胞膜安裝,，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來變化形狀,，把鉀離子打進(jìn)細(xì)胞，鈉離子打出來,。這種泵是消耗能量的,，所以可以逆離子濃度進(jìn)行。這樣細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度就非常高,，鈉濃度非常低,。這種濃度差別就像水壓,，有了水壓水龍頭才能發(fā)揮作用。所以下面三種分子水龍頭都要靠鉀離子和鈉離子的濃度差來發(fā)威,。

第二種分子機(jī)器叫“泄漏型離子通道”,。泄漏型通道就像永遠(yuǎn)打開的水龍頭，只要有水壓就會冒水,。但泄漏型通道會有選擇性地只讓一種離子通過細(xì)胞膜,。比如神經(jīng)細(xì)胞的膜上都有泄漏型鉀離子通道，它們選擇性地只讓鉀離子漏出去,。由于離子泵不斷工作,，細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度非常高，所以鉀離子會不斷通過鉀通道漏出細(xì)胞,。 這樣,，泵一邊往細(xì)胞內(nèi)打，鉀通道一邊往外漏,，不是做無用工嗎,？完全不是！我講課時講到這段總會賣個關(guān)子,，問學(xué)生鉀離子外漏會不會自己停下來,。百分之九十的時候研究生或者醫(yī)學(xué)生都說永遠(yuǎn)不會停?？墒菍嶋H上很快就會自動停下來,。

這是因為鉀離子帶一個正電荷，每個漏出的鉀離子都會使一個電荷離開細(xì)胞,，使膜兩邊的電壓變高一點(diǎn),。具體說隨著鉀離子不斷漏出，膜內(nèi)相對于膜外的電壓會越來越負(fù),，這個電場會阻止更多的鉀離子漏出。這樣鉀漏出越多,，跨膜的負(fù)電壓就會越高,，電壓越高鉀離子漏出就越少。最后達(dá)到一個平衡,，也叫“電—化學(xué)平衡”,。您若學(xué)過物理，肯定知道這種平衡和金屬在液體里的表面電位,，半導(dǎo)體里的的PN結(jié),，電池電極等等都是一個道理。所有神經(jīng)細(xì)胞都是利用離子泵和泄漏型鉀通道把細(xì)胞變成一個小電池,， 叫做“靜息電位” ,，電壓大約是 負(fù)60毫伏（手機(jī)電池的1/50左右）,。利用這靜息電位就能讓各種水龍頭機(jī)制大顯神通。

第三種分子機(jī)器,，就是我們的主角,，感受器離子通道閃亮出場。由于磁感受器的機(jī)制還不清楚（至少還需要5到10篇高質(zhì)量文章）,，我們用聽覺的機(jī)械感受器來舉例說明,。機(jī)械感受器就像機(jī)械控制的水龍頭，也是跨細(xì)胞膜的蛋白分子,，在正常時候是不通的,。只有在分子受到機(jī)械力時，哪怕只有一埃的位移,，其構(gòu)象也會改變,，形成一個離子通道。這個通道容許正離子通過,，這時細(xì)胞外的鈉或鈣離子會大量涌入,，這是因為細(xì)胞內(nèi)鈉和鈣都很少，而且靜息電位的電場也會推動正離子進(jìn)入細(xì)胞,。大量鈉和鈣離子進(jìn)入就導(dǎo)致感受器周圍的膜電位變正,，比如從負(fù)60毫伏變到負(fù)50毫伏，比靜息時高了10毫伏,。這個變化雖然很小,，但是由于第四種分子機(jī)器的介入，就會出現(xiàn)翻天覆地的大變化,。

這個第四種分子機(jī)器就是電壓敏感鈉通道,，好比是電控水龍頭。這個離子通道在膜電位負(fù)60毫伏時是關(guān)閉的,，但當(dāng)膜電位變到負(fù)55毫伏時（閾值電位）,，電壓敏感鈉通道的分子構(gòu)象會發(fā)生變化，打開而形成一個鈉離子通道,。這樣鈉離子就會大量涌入細(xì)胞,。設(shè)想由于感受器通道的開通雖然只使其周圍的少數(shù)幾個電壓敏感鈉通道打開，但這少數(shù)幾個電壓敏感鈉通道打開后會引起更多的鈉離子涌入細(xì)胞,，帶入的正電荷而引起更多的膜電位變正,，這個正電壓又會使更多的電控鈉龍頭（電壓敏感鈉通道）打開，又引起更大的鈉內(nèi)流,。如此周而復(fù)始,，像雪崩式（正反饋）的過程會在0.2毫秒之內(nèi)讓整個神經(jīng)細(xì)胞所有電壓敏感鈉通道都打開。這時膜電位翻轉(zhuǎn),，達(dá)到正30毫伏,。這個電壓,，也叫“動作電位”，是神經(jīng)系統(tǒng)計算的專用信息,。動作電位會傳導(dǎo)給下一級神經(jīng)細(xì)胞,，繼而傳遍整個神經(jīng)系統(tǒng)，使動物感受到聽覺,。

總結(jié)一下：機(jī)械感受器的離子通道利用只有一埃的位移打開一個離子通道,，讓幾百萬個鈉離子進(jìn)入細(xì)胞，使其周圍一小區(qū)的膜電位達(dá)到閾值,，打開幾個電壓敏感鈉通道,。這些鈉通道打開后又使更多的鈉離子進(jìn)入，膜電壓變得更正,，如此導(dǎo)致更多電壓敏感鈉通道打開,，產(chǎn)生動作電位，膜電位變化接近100毫伏,。這個四兩撥千斤過程的放大倍數(shù)大得難以想像,。

這四種細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子機(jī)器共同構(gòu)成了一個異常靈敏，同時噪聲又非常低的生物傳感器,。有多靈敏呢,？實驗證明光感受器使人能看到一個光子（！）,，嗅覺感受器能讓昆蟲聞見一個氣味分子,。聽覺感受器能讓我們感知只有一個原子核直徑的位移。

下圖是耳朵里聽覺感受器的的電鏡照片,，那個像仙人掌似的是細(xì)胞上的纖毛,，仔細(xì)看其頂端的細(xì)絲（題圖上比較清楚）就是拉動離子通道的蛋白質(zhì)絲。右邊的示意圖畫著一個離子通道被兩個蛋白分子構(gòu)成的繩子牽拉,，這樣只有一個原子直徑那么小的位移就能被感覺,。

好了，雖然磁感受器的具體機(jī)制還不知道,，但是可以負(fù)責(zé)地說它和神經(jīng)細(xì)胞的其他幾種分子機(jī)器組合來感受磁場,。與其偶聯(lián)的一個分子在磁場改變時會產(chǎn)生一個小動作，導(dǎo)致一個分子構(gòu)象改變讓鈉離子流進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞,。

動物能感受磁場是人們早已知道的，比如海龜,，信鴿等都能用地球磁場導(dǎo)航,。但磁感受的機(jī)制現(xiàn)在還不完全知道。從已經(jīng)知道的信息,，1.,、動物確實能感知地球磁場這么弱的磁場,，并以此來導(dǎo)航。2,、信鴿的這種感受器可能在嗅覺黏膜上,，因為如果給它們鼻子里滴一點(diǎn)局部麻醉藥，磁感覺就消失了,。3,、磁感受器很有可能是靠偶聯(lián)到一種離子通道而起作用。

最后說一下為什么有人認(rèn)為磁感受器是“蘿卜兒”獎級的工作：這是因為作者發(fā)現(xiàn)了這個感受器的基因,，就可以讓它在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá),，使神經(jīng)細(xì)胞的活動（靜息電位和動作電位）能夠被外界磁場調(diào)節(jié)。近期來講,，現(xiàn)在治某些大腦疾?。ū热缗两鹕┮央姌O植入腦內(nèi)。如果能用磁場做這種刺激就不必手術(shù)移植電極,。如此無損刺激大腦的技術(shù)門檻就低多了,，可以應(yīng)用在日常生活中比如刺激一下失憶患者就能想起忘記的信息。

更遠(yuǎn)的例子就比較神奇了,。你知道你清醒的時候大腦中大部分神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位在負(fù)55毫伏左右,，但打瞌睡時會降到負(fù)65毫伏左右，而在所謂黃金睡眠的時候（慢波第三期）靜息電位會每秒一次在負(fù)50和負(fù)70毫伏之間振蕩,。如果神經(jīng)細(xì)胞能感受磁場,，那么枕邊的一臺小機(jī)器就能讓你瞬間進(jìn)入黃金睡眠。如果你現(xiàn)在是研究生,，做一只能被磁場引入睡眠的老鼠,，絕對是一篇上好博士論文。當(dāng)然更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)景是開發(fā)一種新的大腦—計算機(jī)接口,，通過磁場傳遞信息,。如果這樣，這篇文章的知識就能在幾秒的時間內(nèi)進(jìn)入您的大腦并像自己的思想一樣栩栩如生地浮現(xiàn),，好像剛上過一學(xué)期研究生課似的,。那該有多神奇啊,！