细胞“电池”
文/孟昭青
我们身体中的每个细胞都是一个微小的“电池”，它们发出的生物电在机体发育、伤口愈合和细胞癌变等方面发挥着重要作用。
静息电位与动作电位
神经元传递信息的能力取决于生物电，特别是确保不同离子停留在神经元细胞膜两侧的机制。神经元倾向于将钾离子留在细胞内部，将钠离子置于细胞外部。这两种离子都带正电，但由于离子浓度梯度的原因，导致神经元内部的负电荷比外部大约多70毫伏。这就是所谓的静息电位，它是一切生物电产生和变化的基础。
静息电位很小，大约是激活手机微芯片晶体管电压的十分之一，但它对神经元的功能至关重要。为了维持这一电压（电位差），细胞膜上分布着数以万计的微小通道——钠通道和钾通道，分别允许钠离子和钾离子在其中移动。同时，细胞膜中还存在着的一种特殊蛋白质——钠钾泵，它能够通过分解腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）获得能量，逆浓度梯度将闯入细胞内部的钠离子“排”出去。
当神经元受到刺激时，会引起细胞膜上大量的钠通道同时开放，在膜两侧钠离子浓度差和电压（内负外正）的作用下，细胞外的钠离子快速、大量地内流，导致细胞内正电荷迅速增加，细胞膜两侧的电压骤降至0毫伏，这一过程被称为去极化。之后，钠钾泵迅速将静息电位恢复到-70毫伏，由此产生的电压峰值被称为动作电位。随着细胞膜其他部分的去极化，动作电位可以像波浪一样沿着神经纤维传导。神经系统就是通过动作电位将所有感觉和运动信号传递到身体各处的，因此，动作电位就形成了我们思考、说话、运动和感知世界的基本能力。
生物电对身体的塑造
长期以来的观点认为，神经元和肌肉细胞是人体中唯一能有效利用生物电的部位。但是，事实证明，人体约40万亿个细胞都像一个个小电池，它们利用离子通道维持细胞的微弱电位。在过去的几十年里，新工具和新见解揭示了生物电在人体中的巨大作用。
生物电对身体的发育起着关键作用。我们很容易就能分辨发育完成的人类、鸡和鱼，因为它们之间的区别很大。但是，一个发育中的胚胎中的细胞是如何知道形成什么样的身体呢？如何使所有的手指、喙和鳍都处于适当的位置和拥有合适的尺寸呢？
自20世纪60年代起，研究人员就怀疑受精卵中奇异的电脉冲对其发育非常重要。随着遗传学的进步，我们发现基因可以编码身高以及头发、皮肤和眼睛的颜色等具体特征，却无法找到控制生物体形状的基因，即没有可以编码眼睛、腿、胳膊和耳朵位置的基因。
研究人员认为，电位的变化决定了器官的发育，甚至会帮助塑造脸部特征。但是，要证明这一点相当困难。现有的神经科学工具（如植入式电极或表面电极）只能追踪动作电位等快速事件，而生物体的发育时间跨度要长得多。更重要的是，对发育中的生物体来说，许多神经科学工具都具有侵入性和破坏性。
最终，研究人员选择了电压敏感性染料。这种化学物质能将电压转化为亮度梯度，电压高时显示为亮白色，电压低时显示为黑色，介于两者之间则显示为灰色。研究人员将一种无害的电压敏感性染料注入青蛙的受精卵，实时跟踪青蛙胚胎发育过程中每个细胞的电活动。青蛙是测试这种染料的不二之选，因为无须子宫就能观察到它们的发育过程。
研究发现，青蛙胚胎中所有未分化干细胞的电压最初都徘徊在0毫伏左右，随着发育的进行，增殖细胞会根据它们将要形成的组织而产生不同的电压。这些电压变化构成了青蛙发育所依据的蓝图。
然而，这些电压变化不仅仅是蓝图，它们还是指令。随后的实验发现，它们开启了创造动物身体模板的基因。干扰电模式会破坏离子通道和钠钾泵的功能，从而导致生理上的根本变化，而离子通道和钠钾泵对于在发育过程中维持每种细胞类型的特征电压至关重要。在发育过程中刻意改变特征电压就能控制身体形态，如一项实验成功地将青蛙眼睛生长的位置从脸部移到了腹部。
生物电的治疗作用
由于生物电在塑造发育中的身体方面所起的作用，它对身体受伤后的治疗也至关重要。动物组织受损时会产生的电脉冲，即损伤电流。研究人员发现，损伤电流较强的人的伤口愈合得更快，损伤电流还会随着年龄的增长而减弱。
研究人员还发现了损伤电流作为控制开关的作用，并发现干扰眼睛角膜细胞中的相关离子通道会减缓愈合速度，而电刺激则能加快愈合速度。
在癌症方面，生物电的潜在益处更为显著。研究显示，当健康细胞过渡到癌细胞时，其电压会急剧下降到0毫伏左右，而且癌细胞的电压会发生振荡，就像神经元中的电压一样。事实证明，癌细胞需要这些电压来相互交流信息，尤其是癌细胞的转移和扩散，这也是癌症的主要致死方式。
研究人员希望利用离子通道阻断剂（目前许多抗心脏病药物的基础成分）来抑制这些振荡，阻止癌细胞扩散。新的研究表明，服用抗心脏病药物的癌症患者的存活率更高。在青蛙实验中，将癌细胞的电压推回到健康细胞的电压，会使恶性肿瘤发生逆转。目前，有几种调整膜电压的化合物正处于早期临床试验阶段，它们有望成为对抗癌症的利器。
更多精彩内容见
《科学画报》2023年第12期
SCIENCE PICTORIAL
点击图片订购《科学画报》2024年全刊