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1、生物感受器的“四两拨千斤”感受器分子通过某种机制打开铁桶上的水龙头，一打开就让细胞外的离子大量涌入。大量的钠和钙离子涌入细胞就带进大量正电荷，产生一个正电压。这个电压变化的信号就能通知整个神经系统，动物就能知道了。从感受器到细胞膜电压变化确实就像是“四两拨千斤”的开关：水龙头四两重，打开后涌入千斤的水也毫无压力。所谓感受器分子就是细胞膜上的蛋白分子。四种机器的第一种是“离子泵”。这种蛋白分子也是跨细胞膜安装，通过旋转运动来变化形状，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。这种浓度差别就像水压，有了水压水龙头才能发
2、挥作用。所以下面三种分子水龙头都要靠钾离子和钠离子的浓度差来发威。第二种分子机器叫“泄漏型离子通道”。泄漏型通道就像永远打开的水龙头，只要有水压就会冒水。但泄漏型通道会有选择性地只让一种离子通过细胞膜。比如神经细胞的膜上都有泄漏型钾离子通道，它们选择性地只让钾离子漏出去。由于离子泵不断工作，细胞内的钾离子浓度非常高，所以钾离子会不断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。钾离子外漏会不会自己停下来？学生往往误以为永远不会停。可是实际上很快就会自动停下来。这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，使膜两边的电压变高一点。具体说随着钾离子不断漏出，膜
3、内相对于膜外的电压会越来越负，这个电场会阻止更多的钾离子漏出。这样钾漏出越多，跨膜的负电压就会越高，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”。第三种分子机器，就是感受器离子通道。由于磁感受器的机制还不清楚，用听觉的机械感受器来举例说明。机械感受器就像机械控制的水龙头，也是跨细胞膜的蛋白分子，在正常时候是不通的。只有在分子受到机械力时，哪怕只有一埃的位移，其构象也会改变，形成一个离子通道。这个通道容许正离子通过，这时细胞外的钠或钙离子会大量涌入，这是因为细胞内钠和钙都很少，而且静息电位的电场也会推动正离子进入细胞。大量钠和钙离子进入就导致感受器周围的膜电位变正，比如从负60
4、毫伏变到负50毫伏，比静息时高了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，好比是电控水龙头。这个离子通道在膜电位负60毫伏时是关闭的，但当膜电位变到负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其周围的少数几个电压敏感钠通道打开，但这少数几个电压敏感钠通道打开后会引起更多的钠离子涌入细胞，带入的正电荷而引起更多的膜电位变正，这个正电压又会使更多的电控钠龙头（电压敏感钠通道）打开，又引起更大的钠内流。如此周而复始，像
5、雪崩式（正反馈）的过程会在0.2毫秒之内让整个神经细胞所有电压敏感钠通道都打开。这时膜电位翻转，达到正30毫伏。这个电压，也叫“动作电位”，是神经系统计算的专用信息。动作电位会传导给下一级神经细胞，继而传遍整个神经系统，使动物感受到听觉。机械感受器的离子通道利用只有一埃的位移打开一个离子通道，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阈值，打开几个电压敏感钠通道。这些钠通道打开后又使更多的钠离子进入，膜电压变得更正，如此导致更多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。这个四两拨千斤过程的放大倍数大得难以想像。这四种细胞膜上的蛋白质分子机器共同构成了一个异常灵敏，同
6、时噪声又非常低的生物传感器。有多灵敏呢？实验证明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。下图是耳朵里听觉感受器的的电镜照片，那个像仙人掌似的是细胞上的纤毛，仔细看其顶端的细丝（题图上比较清楚）就是拉动离子通道的蛋白质丝。右边的示意图画着一个离子通道被两个蛋白分子构成的绳子牵拉，这样只有一个原子直径那么小的位移就能被感觉。虽然磁感受器的具体机制还不知道，但是可以负责地说它和神经细胞的其他几种分子机器组合来感受磁场。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。动物能感受磁场是人们早
7、已知道的，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。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、磁感受器很有可能是靠偶联到一种离子通道而起作用。为什么有人认为磁感受器是“萝卜儿”奖级的工作：这是因为发现了这个感受器的基因，就可以让它在神经细胞中表达，使神经细胞的活动（静息电位和动作电位）能够被外界磁场调节。近期来讲，现在治某些大脑疾病（比如帕金森）要把电极植入脑内。如果能用磁场做这种刺激就不必手术移植电极。如此无损刺激大脑的技术门槛就低多了，可以应用在日常生活中比如刺激一下失忆患者就能想起忘记的信息。更远的例子就比较神奇了。清醒的时候大脑中大部分神经细胞的静息电位在负55毫伏左右，但打瞌睡时会降到负65毫伏左右，而在所谓黄金睡眠的时候（慢波第三期）静息电位会每秒一次在负50和负70毫伏之间振荡。如果神经细胞能感受磁场，那么枕边的一台小机器就能让你瞬间进入黄金睡眠。当然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。学科网（北京）股份有限公司