科普|人体细胞如何发“电报”

“滴……滴滴……”，寂静的深夜里，情报人员在聚精会神地发报，把紧急军情传递给战友。这种谍战片中的场景，也在我们的身体中发生——数以亿计的细胞，通过传递信号使构成人体的60万亿个细胞团结一心。

细胞们是如何“发报”的呢？

细胞间传递的竟然也是电。不同于发报机发出的无线电波，这是一种微弱的可通过细胞膜传导的生物电。早在18世纪，意大利生物学家伽伐尼就发现了生物电。一个偶然的机会，他把剥了皮的青蛙挂在铜钩上，铜钩又挂到凉台的铁栏杆上。铁栏杆和蛙腿接触的瞬间，蛙腿就跳动了一下。家人惊恐地以为是闹鬼，伽伐尼却认为这是生物电的作用。他设计了一个实验：制备两个蛙腿，其中A蛙腿的肌肉划开一个伤口，B蛙腿的坐骨神经被放到伤口部位，B蛙腿的与坐骨神经相连的肌肉在那个瞬间发生一次跳动，说明肌肉跳动可以不依赖于铜铁等金属，由生物体内的电流造成。这个实验引起了意大利物理学家伏特的兴趣。伏特认为不同的金属接触会产生电流，电流作用于肌肉会引起肌肉收缩。伏特通过实验发明了原电池，他的名字“Volta”也成为电压的电位。两位科学家从同一个现象出发，一个发现了生物电，一个发明了电池，都在科学史上具有重要意义。

生物体可以产生电流，产生电流的原理过了一百多年才逐渐被科学家知晓。20世纪50年代，英国生理学家霍奇金等人通过枪乌贼实验发现了静息电位。霍奇金将直径为0.1毫米、内部充满海水的毛细玻璃管，纵向插入枪乌贼的巨大神经轴突，作为细胞内电极，将另一电极置于浸泡细胞的海水中，通过电压钳在毛细玻璃管尖端和细胞外电极之间记录到约60毫伏的电位差，细胞内为负电位。霍奇金的发现获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖，他首次记录到细胞的跨膜电位，为电生理的研究打下基础。

过了20多年，科学家才确认静息电位是由钾离子的跨膜流动引起的。钾离子主要分布在细胞内，即细胞内的钾离子浓度远远高于细胞外。安静状态下，细胞膜对钾离子通透性大，对其他离子通透性很小，这是因为细胞膜上有一种“漏钾通道”，只允许钾离子通过。因此，钾离子会顺着浓度差向细胞外流动，从而形成一种内负外正的电位差。带正电荷的钾离子流动会形成一种阻碍其流动的电场力，使电位差在负60毫伏左右达到平衡。

当细胞受到刺激——其他细胞传来的电流，细胞上的钠离子通道就会开放。钠离子在细胞外的浓度远高于细胞内，带正电荷的钠离子通过通道流入细胞内，使细胞出现一次快速的电位波动。如果通过仪器来观察，它就像一个尖峰，好比发报机传出的那一声短促的“滴”声。接下来，它可以传遍整个细胞膜，再通过细胞间的突触传递给下一个细胞。该电位因其接受刺激的大小而表现为不同的频率，即产生每秒钟次数不等的电信号，形成一连串类似摩尔斯电码的“滴……滴滴……滴滴滴……”将信号不断传递开去。

并非所有细胞都具有发“电报”功能，比如血细胞、骨细胞、表皮细胞、毛发细胞都不会产生生物电，也就无法发“电报”。人体中具有发报功能的是神经细胞、肌细胞和腺细胞，它们是非常活跃的“情报员”，无时无刻不在监视着机体的内外环境，忠实执行着“情报工作”。如果说神经细胞是消息灵通的“高级特工”，那么肌细胞和腺细胞这些“基层特工”除了收发情报还要执行任务，也就是收到电信号再通过生理生化反应引起肌肉运动和腺体分泌，表现在日常生活中就是心跳、呼吸、走路、说话、思考问题和新陈代谢，等等。

下一次在显微镜下观察细胞，我们就知道它们都是活生生的个体，把它们紧紧团结在一起，形成可以做出各种行为、执行各种功能的生命有机物的物质，就是肉眼看不见的永不消逝的电活动。

（作者王欣，系华中师范大学副教授，湖北省生理学会理事）