了解你身上的生物电
了解你身上的生物电
生物电，这个听起来神秘的词汇，实际上与我们每个人的身体发育、健康状况密切相关。从青蛙胚胎的发育到人类伤口的愈合，从癌症的检测到治疗，生物电在其中都扮演着至关重要的角色。本文将带你走进生物电的世界，揭示这个微观领域的神奇之处。
当丹妮·亚当斯第一次回放这段录像的时候，她觉得没什么可看的。蝌蚪已经长出了尾巴，游出镜头，只留下一个空白屏。但当她耐着心看下去的时候，惊讶得下巴都要掉下来了。
视频显示，一只青蛙胚胎正在分裂，成为一只蝌蚪。然后，这个微小的圆球开始亮起来，身上显现出一系列明亮的轮廓：两只耳朵、两只眼睛、下巴、鼻子。尽管这些幽灵般的图案并没有持续多久，但两三个小时后，在闪亮过的地方，真实的东西出现了：两只耳朵、两只眼睛、下巴、鼻子。
亚当斯一声惊叫：“找到了!”她是美国塔夫茨大学米歇尔·列文领导的一个项目的成员。该项目旨在证明，生物电为塑造发育中的身体提供了蓝图。如今，他们终于找到了确凿的证据!
神经中的生物电
对于生物电，你可能并不陌生。不过，大多数人对生物电的了解，大概仅限于神经系统中的电活动。
我们早就知道，神经元依靠生物电来传递信号。这是怎么实现的?简单地说，这依赖于两种类型的离子——钾离子和钠离子——浓度的变化。神经元喜欢把钾离子安置在细胞膜内侧，把钠离子安置在细胞膜外侧。两种离子都带正电，但是由于浓度不同，导致神经元里面比外面多出约-70毫伏的电压。这叫“膜电压”。
这个电压微不足道，激活你手机芯片上的一个晶体管所需的电压都比它大10倍，但它对神经元的运作至关重要。为了维持这一电压，细胞膜上布满了数以万计的微小通道，供钠离子和钾离子进出，同时还有微型的蛋白质泵将多余的钠离子泵出。一个神经元受到刺激，其离子通道就会打开，膜电压瞬间跌落至零。但蛋白质泵和通道会迅速将其恢复到-70毫伏，在这过程中产生一个新的电压，称作“动作电位”。动作电位沿着神经元传递，传递到其他部位或与之连接的另一个神经元。在这个新刺激下，那些地方重复上述过程。这就是神经系统传递所有电信号的方式。
我们过去认为，神经细胞几乎是身体中唯一使用生物电的地方。但事实证明，你身上的大约40万亿个细胞，每一个都像一节小电池，其细胞膜都使用离子通道维持一个微小的膜电压。这些生物电在身体中扮演着广泛的角色。
塑造身体的蓝图
没有比生物电塑造一个正在发育的身体更好的例子了。当看到一只鸡或一条鱼时，我们马上就能认出它。但是，一个发育中的胚胎，它的细胞是如何知道去哪里制造这个身体，将所有这些眼、喙和鳍以适当的比例呈现在适当的位置上的呢?
自1960年代以来，人们一直相信生物电在受精卵的发育过程中起到异常重要的作用。这种信念随着遗传学的进步而不断加深。几十年来对基因组的研究，几乎没有发现什么可解释生物体形状的关键信息。你会发现大量的基因对身高或头发、皮肤的颜色等具体细节进行编码，但没有任何东西能告诉你一个生物体需要有多少只眼睛，多少只脚趾，等等。也不存在任何这样一个基因，它明确地告诉身体“两只眼睛应该安置在头的前部”。换句话说，单纯的基因组不能为配置这些器官或身体特征的位置负责。直到2009年，科学家才终于明白，在生物发育过程中，是生物电指派它们各就各位，发育成不同的组织和器官的。
列文怀疑生物电也塑造了生物体的外部特征，他的研究团队用一种电压敏感染料来追踪生物电活动。这种化学品能将电压的变化转变为亮度的变化，高电压显示为明亮的白色，低电压显示为黑色，介于两者之间的电压则显示为相应的灰色。列文和亚当斯选择了一种无害的电压敏感染料，注入青蛙卵的受精卵，使他们能实时跟踪发育中的青蛙胚胎的生物电活动。
其结果是非同寻常的。当团队成员那天早上在实验室观看录像时，染料显示，每个细胞的膜电压是细胞未来承担特定角色的线索。最初，胚胎的所有细胞都未分化，其膜电压都徘徊在0毫伏左右，随着胚胎的发育，新增殖的细胞会根据其即将形成的组织而采取不同的膜电压。从一群细胞到另一群细胞，膜电压的变化，被电压敏感染料显示为那幽灵般的闪光——发育中的蝌蚪所依据的蓝图。
这张蓝图同时也是指令。随后的实验显示，这些膜电压开启了基因，而哪些基因应该开启，这对于每种细胞确认自己的角色至关重要。故意改变其中几种细胞的膜电压，你甚至可以让身体长成奇怪的样子，譬如让青蛙的眼睛长在腹部。
加快伤口愈合和让断肢再生
早在1860年代，就有科学家发现，当人们的身体被切割或以其他方式受损时，受伤部位会产生微弱的电脉冲，这被称为“损伤电流”。不过，损伤电流因为难以测量，150多年来一直被忽视。2011年，一位美国生物学家建造了一台测量装置，并发现它的电场强度大约是120毫伏/毫米左右。这个电场就像一个信号灯，让各种细胞涌到伤口处进行修复。它在伤口刚产生时最强，随着愈合而减弱。损伤电流强的人往往比弱的人愈合得快。它还会随着年龄的增长而下降：你在65岁时的损伤电流是你在25岁时的一半。
后来，美国加州大学的赵敏和他的同事证明，损伤电流是通过改变基因表达，来起到控制伤口愈合的作用的。他们还发现，电刺激可以加速愈合。现在他们正在从事一个项目，其目的是将一些严重伤口的愈合时间减半。
这项研究的最终目标不仅仅是帮助人类愈合伤口，而是像其他一些动物那样重新长出肢体和器官。这方面的研究又是列文最著名：他的团队通过摆弄生物电，让蠕虫在断了头之后再长出头，让青蛙在断了腿之后再长出腿。这项工作目前正在小鼠身上进行。
治疗癌症方面的潜力
当涉及癌症时，生物电的潜在好处更为显著。列文团队的另一名成员布鲁克·切尼特发现，有可能使用一种电压敏感染料来检测健康细胞何时变成癌细胞：其标志是从一个不为零的膜电压急剧下降到零左右。此外，癌细胞还会像神经元一样产生可传递的动作电位。事实证明，癌细胞需要这些来与环境交流，以便达到转移和扩散的目的，而这正是癌细胞最厉害的地方。
科学家希望使用离子通道阻断剂来抑制动作电位的产生，并阻止癌症的扩散。离子通道阻断剂通常是治疗心脏病的药物。事实证明，服用这些药物的人如果得了癌症，更可能活下来。切尼特还发现，在青蛙身上，将癌细胞的膜电压恢复到健康细胞的膜电压，会使癌细胞逆转成健康细胞。现在，几种化合物正处于早期临床试验阶段，以期通过调整膜电压来对抗癌症。
使用电压敏感染料可以检测健康细胞细胞何时变成癌细胞，这意味着今后我们可以准确定位癌细胞，外科医生在切除肿瘤时可以使用这种染料来确保他们已经切除了所有恶性组织。目前，约有10%的肿瘤切除手术会留下癌细胞，而且通常需要一个多星期后才能发现。现在有了这样一件工具，我们在伤口缝合之前就能发现残留的癌细胞，这可以拯救许多生命。