人體細(xì)胞是如何發(fā)“電報(bào)”的？

“滴……滴滴……”寂靜的深夜里，情報(bào)人員在聚精會(huì)神地發(fā)報(bào)，把緊急軍情傳遞給戰(zhàn)友。這種諜戰(zhàn)片中的場(chǎng)景，也在我們的身體中發(fā)生——數(shù)以億計(jì)的細(xì)胞，通過傳遞信號(hào)使構(gòu)成人體的60萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞團(tuán)結(jié)一心。

蛙腿跳動(dòng)意味著什么？

細(xì)胞間傳遞的竟然也是電。不同于發(fā)報(bào)機(jī)發(fā)出的無(wú)線電波，這是一種微弱的可通過細(xì)胞膜傳導(dǎo)的生物電。早在公元18世紀(jì)，意大利生物學(xué)家伽伐尼就發(fā)現(xiàn)了生物電。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，他把剝了皮的青蛙掛在銅鉤上，銅鉤又掛到?jīng)雠_(tái)的鐵欄桿上。鐵欄桿和蛙腿接觸的瞬間，蛙腿就跳動(dòng)了一下。家人驚恐地以為是鬧鬼，伽伐尼卻認(rèn)為這是生物電的作用。

他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：制備兩個(gè)蛙腿，其中A蛙腿的肌肉劃開一個(gè)傷口，B蛙腿的坐骨神經(jīng)被放到傷口部位，B蛙腿的與坐骨神經(jīng)相連的肌肉在那個(gè)瞬間發(fā)生一次跳動(dòng)，說明肌肉跳動(dòng)可以不依賴于銅鐵等金屬，由生物體內(nèi)的電流造成。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)引起了意大利物理學(xué)家伏特的興趣。伏特認(rèn)為不同的金屬接觸會(huì)產(chǎn)生電流，電流作用于肌肉會(huì)引起肌肉收縮。伏特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)明了原電池，他的名字“Volta”也成為電壓的電位。兩位科學(xué)家從同一個(gè)現(xiàn)象出發(fā)，一個(gè)發(fā)現(xiàn)了生物電，一個(gè)發(fā)明了電池，都在科學(xué)史上具有重要意義。

靜息電位如何產(chǎn)生？

生物體可以產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電流的原理過了一百多年才逐漸被科學(xué)家知曉。20世紀(jì)50年代，英國(guó)生理學(xué)家霍奇金等人通過槍烏賊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了靜息電位。霍奇金將直徑為0.1毫米、內(nèi)部充滿海水的毛細(xì)玻璃管，縱向插入槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突，作為細(xì)胞內(nèi)電極，將另一電極置于浸泡細(xì)胞的海水中，通過電壓鉗在毛細(xì)玻璃管尖端和細(xì)胞外電極之間記錄到約60毫伏的電位差，細(xì)胞內(nèi)為負(fù)電位。

霍奇金的發(fā)現(xiàn)獲得了1963年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他首次記錄到細(xì)胞的跨膜電位，為電生理的研究打下基礎(chǔ)。

過了20多年，科學(xué)家才確認(rèn)靜息電位是由鉀離子的跨膜流動(dòng)引起的。鉀離子主要分布在細(xì)胞內(nèi)，即細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于細(xì)胞外。安靜狀態(tài)下，細(xì)胞膜對(duì)鉀離子通透性大，對(duì)其他離子通透性很小，這是因?yàn)榧?xì)胞膜上有一種“漏鉀通道”，只允許鉀離子通過。因此，鉀離子會(huì)順著濃度差向細(xì)胞外流動(dòng)，從而形成一種內(nèi)負(fù)外正的電位差。帶正電荷的鉀離子流動(dòng)會(huì)形成一種阻礙其流動(dòng)的電場(chǎng)力，使電位差在負(fù)60毫伏左右達(dá)到平衡。

當(dāng)細(xì)胞受到刺激——其他細(xì)胞傳來的電流，細(xì)胞上的鈉離子通道就會(huì)開放。鈉離子在細(xì)胞外的濃度遠(yuǎn)高于細(xì)胞內(nèi)，帶正電荷的鈉離子通過通道流入細(xì)胞內(nèi)，使細(xì)胞出現(xiàn)一次快速的電位波動(dòng)。如果通過儀器來觀察，它就像一個(gè)尖峰，好比發(fā)報(bào)機(jī)傳出的那一聲短促的“滴”聲。接下來，它可以傳遍整個(gè)細(xì)胞膜，再通過細(xì)胞間的突觸傳遞給下一個(gè)細(xì)胞。該電位因其接受刺激的大小而表現(xiàn)為不同的頻率，即產(chǎn)生每秒鐘次數(shù)不等的電信號(hào)，形成一連串類似摩爾斯電碼的“滴……滴滴……滴滴滴……”將信號(hào)不斷傳遞開去。

并非所有細(xì)胞都是“情報(bào)員”

比如血細(xì)胞、骨細(xì)胞、表皮細(xì)胞、毛發(fā)細(xì)胞都不會(huì)產(chǎn)生生物電，也就無(wú)法發(fā)“電報(bào)”。人體中具有發(fā)報(bào)功能的是神經(jīng)細(xì)胞、肌細(xì)胞和腺細(xì)胞，它們是非常活躍的“情報(bào)員”，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在監(jiān)視著機(jī)體的內(nèi)外環(huán)境，忠實(shí)執(zhí)行著“情報(bào)工作”。如果說神經(jīng)細(xì)胞是消息靈通的“高級(jí)特工”，那么肌細(xì)胞和腺細(xì)胞這些“基層特工”除了收發(fā)情報(bào)還要執(zhí)行任務(wù)，也就是收到電信號(hào)再通過生理生化反應(yīng)引起肌肉運(yùn)動(dòng)和腺體分泌，表現(xiàn)在日常生活中就是心跳、呼吸、走路、說話、思考問題和新陳代謝，等等。

下一次在顯微鏡下觀察細(xì)胞，我們就知道它們都是活生生的個(gè)體，把它們緊緊團(tuán)結(jié)在一起，形成可以做出各種行為、執(zhí)行各種功能的生命有機(jī)物的物質(zhì)，就是肉眼看不見的永不消逝的電活動(dòng)。