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生物感受器的“四兩撥千斤”

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。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(shí)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。

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。。鉀離子外漏會不會自己停下來？學(xué)生往往誤以為永遠(yuǎn)不會停?？墒菍?shí)際上很快就會自動停下來。

這是因?yàn)殁涬x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”。

第三種分子機(jī)器，就是感受器離子通道。由于磁感受器的機(jī)制還不清楚，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?yàn)榧?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。

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(shí)驗(yàn)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。

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。

1、動物確實(shí)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?yàn)槿绻o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。

為什么有人認(rèn)為磁感受器是“蘿卜兒”獎級的工作：這是因?yàn)榘l(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。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)6