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从磁场感受器说起--为什么生物感受器是超级灵敏的

已有 10697 次阅读 2015-9-24 10:47 |系统分类:科普集锦

   动物能感受磁场是早以知道的,比如海龟,信鸽等都能用地球磁场导航。但磁感受的机制现在还不完全知道。从已经知道的信息,1. 动物确实能感知地球磁场这么弱的磁场,并以此来导航。2. 信鸽的这种感受器可能在嗅觉黏膜上,因为如果给它们鼻子里滴一点局部麻醉药,磁感觉就消失了。3. 磁感受器最有可能是一种“离子通道”。离子通道是蛋白质分子机器,是一种非常灵敏,同时噪声非常低的传感器。比如光感受器使人能看到一个光子,嗅觉感受器能让昆虫闻见一个气味分子。听觉感受器能让我们感知只有一个原子核直径的位移。


        为什么能这么灵敏呢?这方面我已经讲了20年课了,所以一说你就明白了。我们知道细胞外面都有一层膜,这层膜只有3毫微米(30A)厚,完完全全包裹着细胞。这个膜是电绝缘体,能有效阻止离子自由进出细胞膜。神经细胞就是用这个膜和横跨细胞膜的几种分子机器(蛋白质分子)来感觉和传导信息。为了简单,我们只介绍四种分子机器。第一种是“离子泵”。这种蛋白分子通过旋转运动把钾离子打进细胞,钠离子打出来。这种泵是消耗能量的,所以可以逆离子浓度进行。这样细胞内的钾离子浓度就非常高,钠浓度非常低。第二种叫“泄漏型离子通道”。它们选择性地让某种离子通过细胞膜。神经细胞上都有泄漏型钾离子通道,它们选择性地让钾离子通过。因为细胞内钾浓度非常高,所以钾离子通过钾通道漏出细胞。 这样,泵一边往细胞内打,钾通道一边往外漏,不是做无用工吗?完全不是。因为钾离子带一个正电荷,每个漏出的钾离子都会使一个电荷离开细胞,使膜两边的电压变化一点。就是说膜内相对外面越来越负,这个电场会阻止更多的钾离子漏出。这样钾漏出越多,跨膜的电压就越高,电压越高钾离子漏出就越少。最后达到一个平衡,也叫“电-化学平衡”。您学过物理,肯定懂的。这个平衡和金属在液体里的表面电位,半导体的PN结,电池电极等等都是一样的。所有神经细胞都是利用离子泵和泄漏型钾通道把细胞变成一个小电池,电压是-60毫伏,叫做“静息电位”。利用这个电位就可以感知和传导信息。


现在第三种分子机器,就是我们的主角,感受器离子通道出场。由于磁感受器的机制还不清楚,我们用听觉的机械感受器来说明。这个感受器是个跨膜的蛋白分子,在正常时候是不通的。但在分子受到机械力时,哪怕只有一埃的位移,其构象就会改变,形成一个离子通道。这个通道容许所有正离子通过,这时细胞外的钠离子会大量涌入。这是因为细胞内钠很少,而且电场也会推动正离子进入细胞。大量正离子进入就导致感受器周围的膜电位变正,比如从静息的-60毫伏变到-50毫伏,我们叫正了10 毫伏。这个变化虽然很小,但是由于第四种分子机器的介入,就会出现翻天覆地的大变化。


这个第四种分子机器就是电压敏感钠通道。这个离子通道在膜电位-60毫伏时是关闭的,但当膜电位变到-55毫伏时(阈值电位),电压敏感钠通道的分子构象会发生变化,打开而形成一个钠离子通道。这样钠离子就会大量涌入细胞。设想由于感受器通道的开通虽然只使周围少数电压敏感钠通道打开,但这少数电压敏感钠通道打开后会引起更大的钠内流,进而引起大的膜电位变正,而使更多的电压敏感钠通道打开,这又引起更大的钠内流。如此雪崩式的变化(正反馈)使整个细胞所有电压敏感钠通道都打开。这时膜电位翻转,达到+30毫伏。这个电压也叫“动作电位”会传导到下一级神经细胞,使动物感受到。

总结一下:机械感受器的离子通道利用只有一埃的位移打开离子通道,让几百万个钠离子进入细胞,使其周围一小区的膜电位达到电压敏感钠通道的打开阈值。这个通道打开又使更多的钠离子进入,最后导致这个细胞上所有电压敏感钠通道打开,产生动作电位,膜电位变化接近100毫伏。这过程的放大倍数大得难以想像。


   好了,磁感受器机制虽然不知道,但是可以猜猜与其偶联的一个分子在磁场改变时会产生一个小动作,导致一个分子构象改变让钠离子流进神经细胞。通过上述过程使动物感知磁场变化。

   

   下图是耳朵里能感觉一埃位移的感受器的电镜照片,右边的示意图画着一个离子通道被两个蛋白分子的绳子牵拉,这样只有一个原子直径那么小的位移就能被感觉。

       最后说一下为什么有人认为磁感受器萝卜儿奖级的工作:因为我们知道了这个感受器的基因,就可以让它在神经系统中表达,这样用磁场就能在体外就能调节神经系统活动。现在治某些大脑疾病(比如巴金森)要把电极植入脑内。如果用磁场做这种刺激就不必手术移植电极。更远的远景是开发一种新的大脑-计算机接口,通过磁场传递信息。




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