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        為什么我們能感受溫度和觸覺

        2021-12-28 12:21:32趙言昌
        科學(xué)大眾 2021年23期
        關(guān)鍵詞:膜片鉗蘭格笛卡爾

        ■文/趙言昌

        2021年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)結(jié)果揭曉,獲獎(jiǎng)?wù)呤敲绹?guó)科學(xué)家戴維·朱利葉斯(左)和阿德姆·帕塔普蒂安(右),因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了溫度和觸覺的受體。那么,溫度和觸覺的受體是什么?為何如此重要呢?

        笛卡爾的猜測(cè)

        溫覺,就是感受冷、熱的能力;而觸覺,指我們感受觸碰等機(jī)械刺激的能力。這兩種能力,既不像閱讀那樣需要學(xué)習(xí)才能掌握,又不像視覺、聽覺有失去的可能。你可能見過失明、失聰?shù)娜?,但你見過不能感受冷、熱的人嗎?

        正因?yàn)槿绱?,在很長(zhǎng)一段時(shí)間里,人們根本沒有思考過溫覺,甚至懷疑溫覺的準(zhǔn)確性。比如,古希臘的蘇格拉底認(rèn)為,我們感受到的東西好比火把下的光影,只是一種幻覺罷了。

        但是,誰能否認(rèn)溫覺的重要性呢?如果沒有它,我們天冷的時(shí)候不會(huì)加衣,天熱的時(shí)候不會(huì)納涼,哪怕被火焰灼燒,也不知道疼,不懂得避開。所以,慢慢地,有人開始思考這個(gè)問題。

        17世紀(jì),法國(guó)哲學(xué)家笛卡爾提出了一個(gè)假說:我們的身體里有一些細(xì)細(xì)的線,它們的一頭連著皮膚,另一頭連著大腦。當(dāng)我們觸碰火焰時(shí),線便順勢(shì)收緊,拉動(dòng)大腦里的警鈴:“保持距離,以免受傷!”

        不得不說,這是一個(gè)非常容易理解的模型。問題在于:那些線在哪里?它們?yōu)楹螘?huì)收縮呢?

        厄蘭格的驗(yàn)證

        以今天的眼光看,笛卡爾受到了時(shí)代的限制。幾百年前的人們不知道什么叫作神經(jīng)系統(tǒng),因而很難用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的假說。

        受到限制的,其實(shí)不止他一個(gè)。20世紀(jì)初,美國(guó)科學(xué)家約瑟夫·厄蘭格準(zhǔn)備研究神經(jīng),卻被儀器問題難住了。實(shí)驗(yàn)室里的儀器分辨率不足,只能一次觀察一大堆神經(jīng),而厄蘭格感興趣的是單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的狀態(tài)。當(dāng)時(shí)有家公司倒是有現(xiàn)成的儀器,可惜人家不賣。

        無奈之下,他只好客串一回工程師,動(dòng)手改進(jìn)現(xiàn)有的儀器。這一改進(jìn),就改出了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)來——厄蘭格發(fā)現(xiàn),神經(jīng)以電流的形式傳遞信號(hào),而且不同的神經(jīng)有著不同的導(dǎo)電特性,有的導(dǎo)電快,有的導(dǎo)電慢。

        從某種意義上說,厄蘭格證實(shí)了笛卡爾的猜測(cè)。在皮膚和大腦之間,確實(shí)有一些線,它們也的確會(huì)傳遞信號(hào)。只不過,這些線不是縫衣線,而是神經(jīng)細(xì)胞,其傳遞信號(hào)的方式也不是依靠牽拉,而是依靠電流。

        這又引出了一個(gè)問題:電流是從哪里來的呢?

        笛卡爾的假設(shè)

        薩克曼的發(fā)明

        厄蘭格和他的實(shí)驗(yàn)器材

        找一根銅線,將7號(hào)電池與小燈泡連接起來,后者會(huì)發(fā)出亮光。也就是說,電荷在電路里的流動(dòng),形成了電流。

        科學(xué)家發(fā)現(xiàn),我們的神經(jīng)細(xì)胞也帶有電荷,而且十分專一——細(xì)胞膜外側(cè)是鈉離子,內(nèi)側(cè)是鉀離子。因此,從理論上說,只要鈉離子或者鉀離子穿越細(xì)胞膜,流動(dòng)起來,就會(huì)形成電流。

        這可真是奇怪!想一想腌黃瓜,將新鮮的黃瓜丟入鹽水里,過不了多久,黃瓜便會(huì)縮小,吃起來也有咸味。這說明,水分從黃瓜內(nèi)部流到了外部,食鹽里的鈉離子則進(jìn)入黃瓜內(nèi)。

        膜片鉗

        我們的細(xì)胞為什么能把鈉離子擋在外面呢?無數(shù)科學(xué)家為此撓破頭皮,一直到20世紀(jì)70年代,德國(guó)科學(xué)家伯特·薩克曼發(fā)明了一種新的裝置:膜片鉗。

        膜片鉗的使用方式與顯微鏡有點(diǎn)像。使用顯微鏡時(shí),我們首先要從研究目標(biāo)上切下一小塊,制成標(biāo)本,然后將標(biāo)本放到顯微鏡下,依靠顯微鏡的放大能力進(jìn)行觀察。膜片鉗可以看作一把很小的鉗子,科學(xué)家用它揪住細(xì)胞的一角,而后放大這一角的電流,觀察其中的規(guī)律。

        結(jié)果呢?科學(xué)家發(fā)現(xiàn),細(xì)胞膜上有許多“小門”,它們十分挑剔,有的只對(duì)鈉離子開放,有的只對(duì)鉀離子開放,因而形成了鈉離子聚集在細(xì)胞膜外的獨(dú)特現(xiàn)象。

        朱利葉斯的突破

        這些“小門”,今天稱之為離子通道,有著極其重要的生理學(xué)意義。所以,薩克曼也拿到了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

        有了膜片鉗之后,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各種各樣的離子通道。等到20世紀(jì)90年代,戴維·朱利葉斯開始猜測(cè),冷、熱感覺會(huì)不會(huì)跟離子通道有關(guān)呢?

        離子通道,說白了,是一種特殊的蛋白質(zhì)。爸爸媽媽整天說:“要多吃一點(diǎn)兒蛋白質(zhì)?!逼鋵?shí),不管什么樣的蛋白質(zhì),都會(huì)被消化系統(tǒng)拆解為氨基酸,被吸收到我們體內(nèi)。隨后,這些氨基酸會(huì)在基因的指揮下,重新組成人體需要的各種蛋白質(zhì)。

        戴維·朱利葉斯

        阿德姆·帕塔普蒂安

        哈洛

        考慮到這個(gè)過程,朱利葉斯決定從遺傳基因入手。他篩選出數(shù)以百萬計(jì)的遺傳基因片段,讓它們合成各種各樣的蛋白質(zhì),隨后用辣椒素刺激它們。辣椒素來自辣椒——你肯定吃過辣椒,那玩意兒不僅吃著辣,抹到皮膚上也十分不舒服,對(duì)不對(duì)?

        朱利葉斯發(fā)現(xiàn),有些基因編碼的蛋白質(zhì)對(duì)辣椒素十分敏感。進(jìn)一步的研究顯示,這種蛋白質(zhì)其實(shí)是一種新型的離子通道:TRPV1。

        TRPV1十分特別,它會(huì)被溫度、辣椒素等因素激活,進(jìn)而引起特定離子的跨膜運(yùn)動(dòng)。接下來,就是剛才講過的了,離子的跨膜運(yùn)動(dòng)引起電流,電流沿著神經(jīng)細(xì)胞傳導(dǎo),一直進(jìn)入大腦里,引起對(duì)應(yīng)的感覺。

        這就……結(jié)束了?

        在此之后,朱利葉斯和帕塔普蒂安各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了TRPM8。其作用恰恰與TRPV1相反,它會(huì)被冷和薄荷激活,進(jìn)而產(chǎn)生寒冷的感覺。這就是為什么花露水可以帶來清涼感,因?yàn)榛端锖斜『伞?/p>

        好了,問題解決了,不是嗎?

        其實(shí)還沒有。一方面,離子通道仍然藏著許多秘密,比如說TPRC1似乎與哮喘有關(guān),其機(jī)制仍然需要更多的探索;另一方面,溫度感知不僅對(duì)生存至關(guān)重要,而且似乎參與我們的精神世界。

        20世紀(jì)中葉,美國(guó)心理學(xué)家哈洛用鐵絲、毛巾、硬紙板等東西,為小猴子制作了兩位“母親”。其中一位藏有奶瓶,另一位腹內(nèi)空空,卻十分溫暖。以常理而言,小猴子會(huì)選擇前者,“人是鐵飯是鋼”嘛!出乎意料的是,它們更愿意在后者身邊待著。類似的現(xiàn)象,在我們身上也存在。比如,我們會(huì)用“熱情”“冰冷”來形容一個(gè)人,而母親通常是“溫暖的”。

        為什么呢?溫度對(duì)我們的精神世界有著怎樣的作用?也許,這又是一場(chǎng)百年接力的探索吧!

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