长期以来,人们一提到生物电信号,想到的往往是神经元、动作电位和复杂的神经网络。但一项新的理论工作提出,也许在更基础的层面上,活细胞本身就具备产生电信号的能力,甚至不需要任何专门的电学结构。
活性细胞膜示意图。
关键并不在细胞内部的某个特殊器官,而是在每一个细胞都拥有的那层细胞膜。这层薄而柔软的膜,把细胞内部与外界隔开,看上去安静而被动。但在真实的生命状态下,它几乎从不静止。
在活细胞内部,能量消耗和分子活动从未停歇。蛋白质不断改变形状,化学反应持续释放能量,尤其是ATP水解这一过程,为细胞的各种生命活动提供动力。这些微观层面的活动,会不断对细胞膜施加力,让它发生弯曲、起伏和细微的波动。
新的理论框架指出,这些看似不起眼的膜运动,并不只是机械现象。当一层薄膜发生弯曲时,会触发一种物理效应,使形变本身转化为电信号。也就是说,细胞膜在运动的同时,正在自然地产生电响应。
基于这一思路,研究人员建立了一个数学模型,将细胞内部的生物活动与基本的物理规律联系起来。他们想回答的,并不是细胞是否“学会了用电”,而是生命活动本身,是否天然就能转化为电行为。
模型给出的结果相当惊人。在某些条件下,细胞膜两侧产生的电压变化可以达到大约90毫伏。这一数值,已经与大脑神经元在传递信号时的电压变化幅度处在同一个量级。
不仅强度相近,时间尺度也高度一致。这些电压变化可以在毫秒级时间内完成,变化曲线与人们熟悉的神经信号形态十分相似。这意味着,用来解释神经电活动的某些物理原理,或许同样适用于更普通、更基础的活细胞。
更进一步的预测是,这些由膜运动产生的电信号,并不只是“存在而已”,它们还可能主动影响离子的运动。离子是细胞信号和内部平衡的核心参与者,通常会沿着电化学梯度,从高浓度区域流向低浓度区域。
而模型显示,在细胞膜持续波动的情况下,产生的电效应有可能推动离子向相反方向移动,部分抵消原本的浓度差。这种现象取决于细胞膜本身的性质,包括它弯曲的难易程度,以及对电场的响应方式。
从这个角度看,细胞膜不再只是一个被动的边界,而更像是一个能够把生命活动转化为电行为的动态界面。
研究人员认为,如果把这一机制从单个细胞扩展到细胞群体,就有可能解释组织层面出现的协同电活动。这也为理解感觉感知、神经放电,甚至能量收集等现象,提供了一条更基础的物理路径。
在更远的应用层面,这种思路还可能启发生物与工程的交叉研究,帮助人们设计出能够模拟生命电行为的智能材料。某种意义上,这项理论提醒我们,生命并不是后来“学会了用电”,而是从一开始,就在不断地与电打交道。
