為什么我們能感受溫度和觸覺

2021-12-28 12:21:32趙言昌

科學(xué)大眾 2021年23期

■文/趙言昌

2021年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)結(jié)果揭曉，獲獎(jiǎng)?wù)呤敲绹?guó)科學(xué)家戴維·朱利葉斯（左）和阿德姆·帕塔普蒂安（右），因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了溫度和觸覺的受體。那么，溫度和觸覺的受體是什么？為何如此重要呢？

笛卡爾的猜測(cè)

溫覺，就是感受冷、熱的能力；而觸覺，指我們感受觸碰等機(jī)械刺激的能力。這兩種能力，既不像閱讀那樣需要學(xué)習(xí)才能掌握，又不像視覺、聽覺有失去的可能。你可能見過失明、失聰?shù)娜?，但你見過不能感受冷、熱的人嗎？

正因?yàn)槿绱?，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們根本沒有思考過溫覺，甚至懷疑溫覺的準(zhǔn)確性。比如，古希臘的蘇格拉底認(rèn)為，我們感受到的東西好比火把下的光影，只是一種幻覺罷了。

但是，誰能否認(rèn)溫覺的重要性呢？如果沒有它，我們天冷的時(shí)候不會(huì)加衣，天熱的時(shí)候不會(huì)納涼，哪怕被火焰灼燒，也不知道疼，不懂得避開。所以，慢慢地，有人開始思考這個(gè)問題。

17世紀(jì)，法國(guó)哲學(xué)家笛卡爾提出了一個(gè)假說：我們的身體里有一些細(xì)細(xì)的線，它們的一頭連著皮膚，另一頭連著大腦。當(dāng)我們觸碰火焰時(shí)，線便順勢(shì)收緊，拉動(dòng)大腦里的警鈴：“保持距離，以免受傷！”

不得不說，這是一個(gè)非常容易理解的模型。問題在于：那些線在哪里?它們?yōu)楹螘?huì)收縮呢？

厄蘭格的驗(yàn)證

以今天的眼光看，笛卡爾受到了時(shí)代的限制。幾百年前的人們不知道什么叫作神經(jīng)系統(tǒng)，因而很難用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的假說。

受到限制的，其實(shí)不止他一個(gè)。20世紀(jì)初，美國(guó)科學(xué)家約瑟夫·厄蘭格準(zhǔn)備研究神經(jīng)，卻被儀器問題難住了。實(shí)驗(yàn)室里的儀器分辨率不足，只能一次觀察一大堆神經(jīng)，而厄蘭格感興趣的是單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的狀態(tài)。當(dāng)時(shí)有家公司倒是有現(xiàn)成的儀器，可惜人家不賣。

無奈之下，他只好客串一回工程師，動(dòng)手改進(jìn)現(xiàn)有的儀器。這一改進(jìn)，就改出了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)來——厄蘭格發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)以電流的形式傳遞信號(hào)，而且不同的神經(jīng)有著不同的導(dǎo)電特性，有的導(dǎo)電快，有的導(dǎo)電慢。

從某種意義上說，厄蘭格證實(shí)了笛卡爾的猜測(cè)。在皮膚和大腦之間，確實(shí)有一些線，它們也的確會(huì)傳遞信號(hào)。只不過，這些線不是縫衣線，而是神經(jīng)細(xì)胞，其傳遞信號(hào)的方式也不是依靠牽拉，而是依靠電流。

這又引出了一個(gè)問題：電流是從哪里來的呢？

笛卡爾的假設(shè)

薩克曼的發(fā)明

厄蘭格和他的實(shí)驗(yàn)器材

找一根銅線，將7號(hào)電池與小燈泡連接起來，后者會(huì)發(fā)出亮光。也就是說，電荷在電路里的流動(dòng)，形成了電流。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們的神經(jīng)細(xì)胞也帶有電荷，而且十分專一——細(xì)胞膜外側(cè)是鈉離子，內(nèi)側(cè)是鉀離子。因此，從理論上說，只要鈉離子或者鉀離子穿越細(xì)胞膜，流動(dòng)起來，就會(huì)形成電流。

這可真是奇怪！想一想腌黃瓜，將新鮮的黃瓜丟入鹽水里，過不了多久，黃瓜便會(huì)縮小，吃起來也有咸味。這說明，水分從黃瓜內(nèi)部流到了外部，食鹽里的鈉離子則進(jìn)入黃瓜內(nèi)。

膜片鉗

我們的細(xì)胞為什么能把鈉離子擋在外面呢？無數(shù)科學(xué)家為此撓破頭皮，一直到20世紀(jì)70年代，德國(guó)科學(xué)家伯特·薩克曼發(fā)明了一種新的裝置：膜片鉗。

膜片鉗的使用方式與顯微鏡有點(diǎn)像。使用顯微鏡時(shí)，我們首先要從研究目標(biāo)上切下一小塊，制成標(biāo)本，然后將標(biāo)本放到顯微鏡下，依靠顯微鏡的放大能力進(jìn)行觀察。膜片鉗可以看作一把很小的鉗子，科學(xué)家用它揪住細(xì)胞的一角，而后放大這一角的電流，觀察其中的規(guī)律。

結(jié)果呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜上有許多“小門”，它們十分挑剔，有的只對(duì)鈉離子開放，有的只對(duì)鉀離子開放，因而形成了鈉離子聚集在細(xì)胞膜外的獨(dú)特現(xiàn)象。

朱利葉斯的突破

這些“小門”，今天稱之為離子通道，有著極其重要的生理學(xué)意義。所以，薩克曼也拿到了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

有了膜片鉗之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各種各樣的離子通道。等到20世紀(jì)90年代，戴維·朱利葉斯開始猜測(cè)，冷、熱感覺會(huì)不會(huì)跟離子通道有關(guān)呢？

離子通道，說白了，是一種特殊的蛋白質(zhì)。爸爸媽媽整天說：“要多吃一點(diǎn)兒蛋白質(zhì)?！逼鋵?shí)，不管什么樣的蛋白質(zhì)，都會(huì)被消化系統(tǒng)拆解為氨基酸，被吸收到我們體內(nèi)。隨后，這些氨基酸會(huì)在基因的指揮下，重新組成人體需要的各種蛋白質(zhì)。

戴維·朱利葉斯

阿德姆·帕塔普蒂安

哈洛

考慮到這個(gè)過程，朱利葉斯決定從遺傳基因入手。他篩選出數(shù)以百萬計(jì)的遺傳基因片段，讓它們合成各種各樣的蛋白質(zhì)，隨后用辣椒素刺激它們。辣椒素來自辣椒——你肯定吃過辣椒，那玩意兒不僅吃著辣，抹到皮膚上也十分不舒服，對(duì)不對(duì)？

朱利葉斯發(fā)現(xiàn)，有些基因編碼的蛋白質(zhì)對(duì)辣椒素十分敏感。進(jìn)一步的研究顯示，這種蛋白質(zhì)其實(shí)是一種新型的離子通道：TRPV1。

TRPV1十分特別，它會(huì)被溫度、辣椒素等因素激活，進(jìn)而引起特定離子的跨膜運(yùn)動(dòng)。接下來，就是剛才講過的了，離子的跨膜運(yùn)動(dòng)引起電流，電流沿著神經(jīng)細(xì)胞傳導(dǎo)，一直進(jìn)入大腦里，引起對(duì)應(yīng)的感覺。

這就……結(jié)束了？

在此之后，朱利葉斯和帕塔普蒂安各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了TRPM8。其作用恰恰與TRPV1相反，它會(huì)被冷和薄荷激活，進(jìn)而產(chǎn)生寒冷的感覺。這就是為什么花露水可以帶來清涼感，因?yàn)榛端锖斜『伞?/p>

好了，問題解決了，不是嗎？

其實(shí)還沒有。一方面，離子通道仍然藏著許多秘密，比如說TPRC1似乎與哮喘有關(guān)，其機(jī)制仍然需要更多的探索；另一方面，溫度感知不僅對(duì)生存至關(guān)重要，而且似乎參與我們的精神世界。

20世紀(jì)中葉，美國(guó)心理學(xué)家哈洛用鐵絲、毛巾、硬紙板等東西，為小猴子制作了兩位“母親”。其中一位藏有奶瓶，另一位腹內(nèi)空空，卻十分溫暖。以常理而言，小猴子會(huì)選擇前者，“人是鐵飯是鋼”嘛！出乎意料的是，它們更愿意在后者身邊待著。類似的現(xiàn)象，在我們身上也存在。比如，我們會(huì)用“熱情”“冰冷”來形容一個(gè)人，而母親通常是“溫暖的”。