静息电位为什么是负70

文｜吴建永（乔治城大学医学院科学领域专家）

不久前，《自然》杂志子刊上发表了一项关于学者发现磁场感受器的重大突破，这一消息在学术界引起了巨大反响。不仅是外行人士感到，连业内许多资深专家也对此表示质疑。这篇文章最初是打算投给《自然》主刊的，但由于审稿人持怀疑态度而被拒绝，最终发表在《自然—材料》子刊上。

磁场感受器的工作原理成为了大家关注的焦点。它作为一个极小的分子，其尺寸之小，需要通过五万个分子排成一列才能达到头发丝粗细的程度。当这个微小的分子感受到磁场并产生细微的形状变化时，其内部如何将这种变化放大到动物的知觉和行为上，成为了一个引人注目的科学问题。

这一过程的关键就像是一个微观的“杠杆原理”。从分子到行为，细胞膜起到了至关重要的作用。这层膜虽然只有3毫微米厚，但却像坚实的铁桶一样包裹着细胞，严格控制着物质的进出。而感受器分子通过某种机制打开细胞膜上的“水龙头”，使得细胞外的离子大量涌入。由于离子带有电荷，大量的钠和钙离子涌入细胞就会带来正电荷的积累，从而产生一个正电压。这个电压变化信号能够传递到整个系统，使动物感知到磁场。

感受器分子其实就是细胞膜上的蛋白分子。细胞膜上成千上万的蛋白分子中，有四种是最为关键的分子机器。尽管这四种机器的工作原理大大简化了相关知识的复杂性，但它们联合工作却代表了95%的相关知识。

第一种分子机器是“离子泵”，它通过旋转运动改变形状，将钾离子打入细胞，同时将钠离子打出细胞。这是一种消耗能量的过程，可以在逆离子浓度的情况下进行。这样的离子浓度差异就像水压，为水龙头的正常工作提供了条件。

第二种是“泄漏型离子通道”，这种通道就像永远打开的水龙头，只要有水压就会。但它会选择性地只让一种离子通过细胞膜。

第三种就是我们重点关注的感受器离子通道。尽管磁感受器的具体机制尚不清楚，但我们可以通过其他感觉系统的分子机制来解释。比如机械感受器就像是一个机械控制的水龙头蛋白分子，在受到机械力作用时（即使只有一埃的位移），其构象会发生改变，从而形成一个离子通道。这使得钠或钙离子能够大量涌入细胞，改变周围膜电位的电场情况，触发更大的电流传递效应。

第四种分子机器是“电压敏感钠通道”，就像电控水龙头一样，根据膜电位的变化来控制离子的开放与关闭。当某个区域的膜电位达到阈值时，这个电压敏感的钠通道就会打开，引发更大的钠离子内流和膜电位变化的正反馈过程。

这四种细胞膜上的蛋白质分子机器共同构建了一个异常灵敏且噪声极低的生物传感器。这种传感器的灵敏度极高，可以让人感知到单个光子、单个气味分子以及原子核直径的微小位移。

虽然我们目前对磁感受器的具体机制了解还不够深入，但可以确定的是它与其他细胞分子机器的结合来感知磁场。磁感受器可能与某种偶联分子相互作用，在磁场改变时产生微小动作，导致分子构象改变并使钠离子流入细胞。

动物能够感知磁场的现象早已被人们所知，如海龟和信鸽等能够利用地球磁场进行导航。磁感受器的发现不仅对于我们理解动物感知磁场的能力具有重要意义，同时也为医学和科技领域提供了新的可能。比如，通过调节外界磁场来影响细胞的活动，可以应用于治疗某些大脑疾病或实现无损刺激大脑的技术。更远大的前景是开发出一种新的大脑-计算机接口技术，通过磁场传递信息，使知识能够迅速进入人们的大脑中。

这四种分子机器的相互作用和协同工作为我们揭示了动物感知磁场的神秘面纱。随着科学技术的不断进步和研究的深入进行，我们有望在未来见证更多关于科学领域的突破性发现和应用。