四、“细胞膜”是细胞的大脑,细胞核是复制中心
由于时间关系,我们长话短说,细胞真正的大脑是细胞的“皮肤”:细胞膜。你或许疑惑,什么?细胞的皮肤是细胞的大脑?看起来风马牛不相及。答案藏在胚胎学中。胚胎发育初期只有3个胚层,负责形成所有的组织器官,3个胚层分别是:外胚层,中胚层,内胚层。每层都由细胞组成,每一层负责发育成不同的器官和组织。有趣的是,最外面那层:外胚层,只负责发育成两样,即表皮和神经系统中的大脑,即大脑从表皮发育而来。
由于细胞膜是介于外环境和细胞质之间,所以细胞膜能读取外界信息,然后再把信息传达给细胞内的蛋白质。我告诉过大家,尽管细胞核不在,但细胞活力依旧,原因就是细胞核并非细胞的控制中心,细胞核是复制中心,负责细胞的复制或元件更新。好比机模,有建造所有蛋白质的源模版,但细胞核并不知道何时该表达何种蛋白。细胞核没有智能,只是重要的模版源头。所以我把细胞核从中移走,并没有改变细胞的任何活性,但细胞最终的确还是会凋亡,不过原因是:所有的零件都到寿命了。然而没有核,就不能表达新的蛋白质零件。细胞最终就挂了。所以核不是控制什么,而是提供模版信息。所以基因和细胞“大脑”没有丁点关系。
五、细胞膜对外界环境因子做出反应,从而产生行为
那么细胞膜如何运作呢?首先和一个环境因子结合,环境因子可以是任何东西,比如阳光、热空气、声音、化学物质、气味、味道,环境因子又称为主要信号。接下来发生的是,细胞膜通过读取环境因子而激活了细胞内的第二信号,由第二信号向蛋白质下达指令。所以行为是由细胞膜对外界环境因子作出反应而介导的。所以我如果排除一切环境,细胞则毫无生机,生机是由细胞对环境作出反应而来。你的生机来自你对你身外的环境作出反应,所以这些环境因子实际在调控你的蛋白质,让你产生行为。所以你的行为跟基因没有关系,你的行为来自于你如何看待环境因子,又称为“感知”。然后把这种感知信号转换成“挑选正确回应该信号的蛋白质”的过程。
六、细胞膜工作原理:“接收器”捕捉环境信号,“效应器”转换成行为
——没有信号就没有行为
接下来的问题是细胞膜如何工作。非常有趣,也非常简单。当我们研究长在培养皿里的细胞时,细胞膜表面看起来很多泡泡,但当我们放大显微倍数后,细胞膜看上去就像三明治。中间是一层脂层,正是脂层让膜成为一面屏障,因为外界的水进不去,细胞内的水也出不去,所以膜内环境就被很好地保护起来得以运作。但是只有这样三明治结构的膜没有功能,因为我漏掉了最重要的一样:镶嵌膜内的蛋白质。这些蛋白质对膜外信号做出反应,从而激活行为。
细胞表面全都是像天线一样的内镶蛋白,它们大量地分布于细胞膜上。这些蛋白质和外界环境互动,再把这些环境信号转化成内部行为。
让我来解释这如何实现。这就是膜(右图), 这里有两种不同的蛋白质。虽然膜表面由上千种蛋白,但基本可以分成两类。一类上面有“天线”,也就是接收器,就好比屋顶接受电视信号的天线,作用就是接受信号,信号通过线路传入电视,电视再把信号转成可视画面。重点是很多的蛋白都有这种天线接收器,这些竖起来的就是天线,位于细胞表面,然而它们接收的是环境信息。这种信息可以是葡萄糖,告诉细胞外界有糖份存在,或是组胺,告诉细胞该做出应激反应了,或是胰岛素,告诉细胞该调节代谢了。
每一个不同的信息,都有不同的天线去接收。所以说细胞表面分布着接收各种信息的天线,所以环境信号被天线捕捉。接下来,信号被第二类蛋白(效应器)转换成行为。有三种不同的渠道,第一类蛋白中间有个能让信号分子进出的通道,第二类:酶类,促进新成代谢反应,第三类:细胞骨架蛋白,可以改变细胞的形状。比如现在有个毒素信号进入,对应的接收器探测到了,于是就跟临近的蛋白说:那是毒素信号,我们快闪!然后效应器就带着它们就跑了。一边是输入,一边是输出。所以蛋白质相互协作,接收器接收信号,效应器做出反应。
你们有接收器吗?当然!最明显的是哪个?眼睛!耳朵!鼻子!触摸!你们的接收器在哪儿?在皮肤下!所以你们和细胞的工作原理是一样的,虽然蛋白质看起来不像鼻子或眼睛,但功能却无两样,如果这个接收器接收光信号,那么它就等同于细胞的眼睛,当光信号被它捕捉,细胞就会说:“哇!我看到光了。”一旦它感应到光,它就会通过和临近这个蛋白联系,把信号转换。
让我给你们解释这如何实现。输入端(天线),和负责产生行为的输出端联结,我用这个受体模型来说明。我将播放动态演示,膜上面有一个天线,天线正在扫描环境中的信号(蛋白质是直接贯穿细胞内外,镶嵌在细胞膜上的),瞧瞧这形状,当蛋白质和信号因子结合后会怎样?形状改变!所以基本而言,蛋白质处于细胞内
如果有信号分子,蛋白质就会被激活,底端的形状就会改变。而如果我们处在细胞内看到这些悬挂蛋白的胞内部分发生改变,我们就可以通过这个改变得知它发现了胰岛素。
接下来,当我接收到外部信号,我需要释放二级信号因子去激活细胞的各种行为,这个例子里我用的是通道类型,看起来像个橄榄。这个蛋白质在细胞表面移动,注意顶部的通道关闭状态。
当它打开,信号因子就能穿过通道进入细胞内部,而且只有和通道孔径契合的才能进入,否则不行。静息状态的通道蛋白是关闭的,一旦激活则蛋白通道打开,信号分子就能进入从而调节细胞行为。
让我们现在把二者放在一起看,看看是怎样的机制在调控生物。输入和输出部分,左边蛋白质负责搜寻信号,右边蛋白质负责把信号转换成行为方式。下面那个是连接器,但是现在它的形状不契合左边蛋白质的下端!所以表明没有发现信号分子,也没有行为。但当信号出现,左边蛋白质下端的形状改变,当形状改变后连接器就能契合上了,连接器连接上去并打开右边蛋白质的通道,于是传入二级信号给细胞下达指令。这个指令则和外环境信号源的信息相关。所以说细胞的行为是由环境信息的输入实现调控,然后实现输入信息到行为的转换。
如果我们把接收天线移走,那么它就不能感知到任何信息,于是不产生行为反应,细胞将完全处于混沌状态。这意味着,细胞行为和外界信号挂钩,没有信号就没有行为。好比刺激导致回应:信号给予刺激,细胞给予回应。所以总而言之,接收器先读取环境,再和效应器发生联系,效应器通过释放二级信号传达命令。与接收器接触的是初级信号,进入效应器传达行为指令的是二级信号。
所以以上这个单位负责控制特定行为,但一个细胞可能同时有上千种这类单位,所以这相当于是个开关。当胰岛素出现,代谢开关触发;当组胺出现,自我保护机制触发。因此一种信号源对应一种开关。能理解输入和输出之间“开关”的比喻吗?我们换个方式解释。受体(接收器)的功能是认知外界环境,负责“看”,但它必须把信号转换成生物行为。所以输出端的功能是对初级信息产生物理感应。这样好理解了吗?