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神經靠鈉離子波傳遞信號

在你的神經系統中,數以千億計的絲狀細胞產生電場,但它們不能像電線那樣傳輸信號。給銅線降降溫,銅線的導電性依舊很好;可要是給神經細胞或者神經元降溫,降得太多,它們就不能正常工作了,低體溫症受害者可以證明這一點。在你的神經細胞網絡中,並不是靠電子快速傳遞形成電流,而是一種擾流,很像是海洋表面的波浪,而驅動這些波浪的,主要就是鈉離子的熱運動。

現在請你不妨動動腳指頭。此刻,鈉離子正在幫助你完成這個動作,而且它還告訴你做這個動作的感受是怎樣的。你的感覺、你的思想,還有諸如此類的自發動作,都是神經脈衝的表現。而所有這些脈衝,都和離子穿過神經元薄膜的擴散過程有關。

要想像這個過程是如何進行的,可以回想一下體育館裡成千上萬個觀眾是怎麼玩「人浪」的。當一個人舉起或放下手臂時,接下來的一個人會很快重複同樣的動作,並如此這般傳遞下去,形成一股股波浪在人群中起伏。沒有人離開座位,傳播的只是波動,如果協調得好,可以比任何一個人跑得都快。

神經脈衝和「人浪」非常相像,不過傳遞波浪的不是手臂的上下擺動,而是大量微型通道的開啟閉合。一個神經元可以攜帶數百萬個這樣的通道,可以迅速打開透過細胞膜的通道,只允許鈉離子通過。每一條通道都是被蛋白質包圍的小孔,鈉離子周圍的水分子層則會被這些蛋白質撕開,並開啟一條定制通道,寬度恰好可供鈉離子擠過。

通道打開後不到一秒鐘就會被再次關閉,數千個鈉離子趁機擴散進入神經元,而此前神經元內部的鈉離子濃度不過是外部的1/10。這一過程引起周圍的通道紛紛效仿,直到擴散的鈉離子流抵達神經細胞的末梢。在那裡,信號傳遞給其他神經元或肌肉細胞,它們可以繼續傳遞信息或是對信息做出反應。

比如你剛剛動過腳指頭——首先你是先答應了我的請求,這個決定經過你的大腦以接近每秒100英尺(30米)的速度傳遞出去,這引發了一連串鈉離子的擴散運動,順著你的脊髓高速向下衝去——這樣的脈衝可超過每小時200英里(322千米)的速度。接著又是一瞬間的工夫,信號就穿過腿部來到腳趾。當相應的肌肉拉動了你的腳趾後,感覺神經元就會向大腦發射「鈉離子波」,匯報「任務已完成」。

這一切看上去如此機械,在自然界中如此基礎,以致讓我們很難相信,正是這看不見的「原子波」,通過那些將你的眼睛與大腦連接的神經元,讓我寫下的這些文字得以被你讀到。但它們做到了。數字信號的閃爍可以讓計算機產生可視圖像,讓你可以遐想身臨其境的感覺;鹽瓶中的原子也一樣,通過一系列擴散作用,讓你能夠看、聽、嘗、嗅、觸摸以及思考你身邊這個鮮活的現實世界。

上述神經活動的這個簡化版本說明,鈉離子對於你的神經系統究竟有多重要,儘管故事中還有很多細節我們沒必要在此展開,只是簡單敘述一下。氯離子通道有助於調節神經元中的電荷平衡,而位於神經下游末端的鈣離子通道則有助於向鄰近的細胞傳遞信號。在鈉離子波從神經元中經由像水閘一樣的選擇性通道擴散出來之前,鉀離子就已經守在那裡了;神經系統接著會被復位,在新的信號發生以前,微型的離子泵將鈉離子推出去,並將鉀離子抽進細胞。鉀離子也是內耳神經的主波離子,所以當你下次吃富含鉀的香蕉時,你就可以想像,那是來自熱帶的原子從聽覺細胞流入你腦海時發出的竊竊私語。

這些過程不會持續很久——有些神經元可以在1秒鐘內重複裝填並傳輸超過500次信號。但這也不是沒有代價,因為雖說滲透與擴散都是自發進行的,細胞膜上的分子泵還是需要消耗能量的。根據估算,在休息時,身體中有1/5的能量都是為神經系統提供的,其消耗的氧氣也佔到呼吸總量的1/5。

很幸運的是,實現這些功能,你並不需要去多想什麼,你的原子就幫你打理了這一切——無論白天黑夜。對於地球上其他動物來說,這也是幸運的,因為無論是在舔鹽的鹿還是飲淚的蛾,都跟我們一樣利用鈉離子波傳遞神經信號。

有些動物甚至會利用這種對鈉離子擴散的需求,將其作為防禦方式。一些水生蠑螈會攜帶一種防禦性的神經毒素,也就是河豚毒素,跟河豚體內的致命毒素一樣,後者對於尋找刺激的食客來說簡直是臭名昭著,如果處理不當,它很可能會要了食客的命。河豚毒素可以封堵住神經元的鈉通道,極小的量即可引發痙攣,比氰化物毒性還要高好多倍。這種毒素只需要讓臨界數量的鈉通道失去機能就夠了,所以幾毫克就如同是在頭上砸進了一顆釘子,幾個小時內便可殺死一名成年人。

有些殺蟲劑則正好相反,通過過度刺激鈉通道破壞昆蟲的神經系統,例如苄氯菊酯。苄氯菊酯會和昆蟲的鈉通道結合,並使其保持打開的狀態,神經元無法順利復位,昆蟲因此而翻滾、癱瘓或死亡。你自己的神經元與這些昆蟲有著明顯區別,因此苄氯菊酯並不會形成妨害,但如果你確實很不喜歡待在有神經毒素的環境中,那麼在食用沙拉的時候也要避免食用菊花,儘管很少有人會因為食用它們感到明顯不適——它們可被應用於另一種類似的神經殺蟲劑中,也就是所謂的除蟲菊酯。

其他一些植物也會產生防禦性神經物質,比如煙草中的尼古丁,還有胡椒中的特殊氣味物質,皆是如此。相對溫和的墨西哥胡椒形成的明顯灼熱感是一種味錯覺,那是因為辣椒素會在口腔中騙過你的鈉通道,讓它們發出灼熱和疼痛的信號。如果咬的是火辣的哈瓦那辣椒,那麼你口腔中那些受騙的神經元就會一起咆哮,迅速打開鈉通道,就像你剛剛吞了一塊火紅的炭似的。這種熱的錯覺也會愚弄你的汗腺,讓你汗流浹背。

下一次當你沉溺於麻辣燙帶來的快感時,不妨換個角度想想閃閃發亮的汗水和不由自主產生的淚水。它們並非只是你自己的汗水和淚水,也是地球自身的組成部分。

你的汗水和淚水之所以是鹹的,是因為它們來自鹹味的淋巴液,它們從血管中滲透而來,像是富含礦物質的地下水。你眼瞼下面的淚腺會持續分泌淚水,眼中其他一些腺體則會分泌出油膜覆蓋你的眼球表面阻止水分揮發,還會分泌出作為基底液的黏液,以及用於抗菌的溶解酶。這些物質滋潤並保護著你的角膜,隨著你不斷眨眼而平滑地擴散,然後又經過眼睛內角膜上的微孔滲透到身體深處。

淚水中的滲透平衡,與血液和淋巴間的平衡作用類似;但你的淚腺分泌的淚水中含鈉量略低,這可能是為了減少其流失到環境中的量。通過開啟或閉合各種膜通道並選擇性地在各處抽吸鹽離子,這些腺體促使水遵循著滲透作用,流經一條乾涸得有如鹽泉的運河,匯入到你眼睛下半部分的「淚湖」中。儘管每一汪由鹽泉匯聚而成的湖泊都只有大約30微升,體積尚不抵正常的一滴雨水,但一次刺激、一個深深的哈欠,或是由歡樂、痛苦、悲傷引發的神經信號,都可以讓它溢流出來成為淚水。

想像一下你淚水中鈉離子的旅程——它們在你的臉頰順流而下,或許會刺激你舌頭上的鹽感受器,或是觸動好友富有同情心的淚腺。它們在石頭中被困了太久——它們或許曾經在珊瑚叢中漂泊過,或是濺到過原始熱帶海灘的沙灘上,也可能曾流經過世界上第一條魚的鰓;與它們結合在一起的,曾經在火山口絲絲作響的氯,也在同一片原始海洋中徜徉,並邂逅了它們的伴侶,直到最終隨著美味一起進到了你的口中。

假如你身在泰國,正在晚風沉醉的室外用餐,如果你還想讓這些跨越了時空的原子和你多待一會兒的話,那麼也請你千萬提防那些飛蛾別靠近你的眼睛。