炉匠：从磁场感受器说起－－为什么生物感受器是超级灵敏的 ... ...

2015-9-23 07:01 AM| 发布者: 星光| 查看: 1204| 评论: 28|原作者: 炉匠

摘要: 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 ...

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这是萝卜儿奖级的工作：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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引用 2016-4-8 10:50 PM: 炉匠: 这个能做吗？在什么地方？
http://www.nature.com/articles/srep23657

引用 2016-4-8 10:47 PM: waspking: 最近台湾朋友发了一个蜜蜂对磁场的Perception。　是我编辑的。　可惜那扯和鳃银丝都没有要。　
这个能做吗？在什么地方？

引用 2016-4-8 11:43 AM: 最近台湾朋友发了一个蜜蜂对磁场的Perception。　是我编辑的。　可惜那扯和鳃银丝都没有要。

引用 2015-11-22 02:36 PM: 地球磁极翻转过好几次了，不知这些生物怎么对应。

引用 2015-10-9 10:02 AM: 炉匠: 气功确实能调节神经活动。但是不是神秘主义那种。
嗯

引用 2015-9-30 07:54 PM: swan.eagle: 这节课令我想到气功的意念调动神经活动
气功确实能调节神经活动。但是不是神秘主义那种。

引用 2015-9-27 10:15 AM: 这节课令我想到气功的意念调动神经活动

引用 2015-9-25 08:38 PM: 炉匠: 这两个问题问得非常好，很多研究生都问不出。第一个问题：膜电位在从－60到－50mv 的电压时，如果一个同时容许钠和钾通过的通道打开，钾外流非常少，因为电的 ...
明白了。谢谢炉匠兄的解答。

引用 2015-9-25 10:30 AM: waspking: 台湾有人发过Science（90年代？），说是蜜蜂脑子里面有一些小铁晶体。也许可以用来探测磁场，但是不知机制。有电镜照片。 ...
这个也有可能的。

引用 2015-9-25 10:28 AM: mist: 谢谢炉匠兄科普。

你提到的第三种离子通道，是单向的，只有钠离子进入细胞，还是双向的呢？如果是双向的，在钠离子进入细胞时，钾离子是不是也可以持续流向细胞 ...
这两个问题问得非常好，很多研究生都问不出。第一个问题：膜电位在从－60到－50mv 的电压时，如果一个同时容许钠和钾通过的通道打开，钾外流非常少，因为电的驱动力（向内），和钾的化学驱动力（向外）基本平衡。与此相对钠的化学驱动力（向内）和电驱动力（向内）正好相加，所以钠内流很大。
第二个问题：正反馈会使膜电位在0.2毫秒时间内达到顶峰（＋30mv)，然后膜电位会在1毫秒内回到－60mv. 这是因为电压敏感钠通道开通以后立刻失活关闭。同时另一种通道，电敏感钾通道打开。在＋30mv 时钾会大量外流，使膜迅速回到静息状态。

引用 2015-9-25 10:14 AM: 王木木: 小狐哥，您可否把硫-铁蛋白的东西说说，谢了。
是三价铁还是啥？
这个非常不清楚，而且他还没发表，说多了有泄密之嫌。我个人认为是个电子传递体，就是在分子内传递高能电子。所以可能在磁场中能感受到lorentz force. 真是如此太神秘了。分子水平的罗盘。

引用 2015-9-25 10:06 AM: 王木木: 蜂王，小蜜的导航机制是什么样的，请来个科普。
台湾有人发过Science（90年代？），说是蜜蜂脑子里面有一些小铁晶体。也许可以用来探测磁场，但是不知机制。有电镜照片。

引用 2015-9-24 09:22 PM: waspking: 炉匠看看这个：
The new evidence involving honeybees was obtained using information obtained from an observation hive located in Germany. Sensors at t ...
蜂王，小蜜的导航机制是什么样的，请来个科普。

引用 2015-9-24 09:20 PM: 炉匠: 其实就是硫－铁蛋白
小狐哥，您可否把硫-铁蛋白的东西说说，谢了。
是三价铁还是啥？

引用 2015-9-24 07:10 PM: 谢谢炉匠兄科普。

你提到的第三种离子通道，是单向的，只有钠离子进入细胞，还是双向的呢？如果是双向的，在钠离子进入细胞时，钾离子是不是也可以持续流向细胞外？如果是这样的话，那电位还是没有变化啊。

第四种通道，因为正反馈，钠离子越来越多地进入细胞，膜电位越来越正。同时，为了维持过去的平衡，钾离子是不是会越来越多地流出细胞呢？当然，钾离子可能没有这么多通道。

引用 2015-9-24 12:26 PM: 应该两个人的材料在同一篇文章里面发，也许那扯就发了。现在别人怎么重复这个实验？么有蛋白序列。

引用 2015-9-24 12:16 PM: 炉匠看看这个：
The new evidence involving honeybees was obtained using information obtained from an observation hive located in Germany. Sensors at the hive entrance measured numbers of outgoing versus returning bees on a per minute basis, daily. Using the difference between the two, we determined daily honeybees losses over three, six-month periods in 2012, 2013 and 2014. Atmospheric disturbances were also monitored, independently, by the National Oceanic and Atmospheric Agency (NOAA) and the Space Weather Prediction Center (SWPC). Their information involved variation in (A) Earth’s magnetic field and (B) protons arriving in Earth’s atmosphere – both are indicators of when a geomagnetic storm produced by coronal eruptions on the Sun occurs.

The Data indicated that bee losses were highly correlated (R2= 0.970) with days when severe geomagnetic storm activity (K-Index ≥5) occurred in Earth’s magnetosphere, and monthly losses increased as the intensity of geomagnetic disturbances increased. Bee losses were also highly correlated (R2=0.978) with intensity of extraterrestrial protons that impacted Earth’s outer atmosphere: another indication of the arrival of a solar storm. For the three-year study, estimated losses were 2.71-times greater on storm days compared to non-storm days. Greatest losses -- from 16,920 to 56,640 bees -- occurred during the 3 longest and most severe storms. Such dramatic losses are consistent with a sudden loss of bees from a hive.

Collectively, data indicated that geomagnetic and proton disturbances in Earth’s atmosphere are involved with interference of a forager’s homing ability here on Earth, thereby leading to the sudden disappearance of adult bees from a hive, commonly referred to as CCD.

引用 2015-9-24 11:01 AM: xcr: 哈哈，主任当年考大学先是录取在物理班，然后才被调到英语班的。
主任能懂吗？

引用 2015-9-24 11:01 AM: waspking: 估计那个磁性受体就是一个膜蛋白，磁场改变时，打开一个离子通道。。。产生电位。那样的话，估计蛋白一定要有另外的金属离子（成复合物）在一起工作？ ...
其实就是硫－铁蛋白

引用 2015-9-24 11:00 AM: 八月风: 你只提了钠离子，钾离子通道，钙离子通道呢？大部分的钙离子通道可能都是属于你上面说的第四种。
为了简单，不愿意提太多。连动作电位复极化都不提

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