草履蟲應(yīng)激反應(yīng)及食物泡循流機(jī)理的研究

1、草履蟲應(yīng)激反應(yīng)及食物泡循流機(jī)理的研究盧湘岳（華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 200062 ）摘 要 草履蟲的回避同逃避反應(yīng)是基于前端表膜鈣離子通道的作用及后端表膜鉀離子通道的作用。草履蟲對光、電、磁的反應(yīng)是基于細(xì)胞質(zhì)中液晶的特性。食物泡能循著一定的路線移動(dòng)是基于細(xì)胞質(zhì)中液晶的取向有序性及分子馬達(dá)的作用。關(guān)鍵詞 草履蟲 應(yīng)激反應(yīng) 液晶 分子馬達(dá) 在初中生物學(xué)的教學(xué)中，學(xué)生有機(jī)會用顯微鏡觀察草履蟲的的消化過程，觀察草履蟲對各種刺激的反應(yīng)。有學(xué)生問：草履蟲為什么會有回避反應(yīng)和逃避反應(yīng)？為什么草履蟲會對光、電、磁產(chǎn)生反應(yīng)？為什么草履蟲體身體里的食物泡會有規(guī)律的移動(dòng)？這些問題在現(xiàn)有的教科書或參考書里沒有論述。

2、其實(shí)，科學(xué)研究發(fā)展到今天，已經(jīng)積累了豐富的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，為回答這些問題提供了科學(xué)依據(jù)。本文依據(jù)現(xiàn)有的資料，嘗試為這些問題提供答案。1草履蟲沒有神經(jīng)，為什么會表現(xiàn)回避反應(yīng)和逃避反應(yīng) 在做草履蟲的應(yīng)激性實(shí)驗(yàn)時(shí)，用細(xì)針觸碰草履蟲的前端，草履蟲會倒退著游，轉(zhuǎn)身轉(zhuǎn)向，然后游開，這是回避反應(yīng)。如果用細(xì)針觸碰草履蟲的后端，草履蟲會加快向前游動(dòng)，這是逃避反應(yīng)。為什么沒有神經(jīng)的草履蟲會出現(xiàn)這么靈活的反應(yīng)？ 讓我們用顯微操作的方法，把微電極插進(jìn)草履蟲的身體里（見圖1），再把微電極連接到電生理放大器上，記錄微電極所檢測到的電位變化（Vm）。然后，為了進(jìn)行精確的碰觸刺激，利用壓電晶體通電后產(chǎn)生的振幅，作用到草履蟲的前端和

3、后端（圖1：A、B）. 刺激草履蟲的前端，可以在草履蟲身體內(nèi)記錄到向上的電位變化（圖2），這是典型的去極化電位。其幅度取決于刺激強(qiáng)度：刺激強(qiáng)度弱，引發(fā)的電位低；強(qiáng)度大，引發(fā)的電位就高。當(dāng)出現(xiàn)去極化電位時(shí)，草履蟲的纖毛反向劃動(dòng)，可以使草履蟲向后移動(dòng)。 如果刺激草履蟲的后端，在草履蟲身體內(nèi)記錄到的是朝下的電位變化（見圖3），這是典型的超極化電位。刺激強(qiáng)度弱，朝下的電位變化?。淮碳?qiáng)度大，朝下的電位變化就大。當(dāng)出現(xiàn)超極化電位時(shí)，草履蟲加快纖毛的正向劃動(dòng)，可以使草履蟲快速向前移動(dòng)1。 為什么刺激草履蟲前端和后端會產(chǎn)生不同的膜電位？ 用不同濃度的鈉、鉀、鈣等細(xì)胞外陽離子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明2，機(jī)械刺激可以造成

4、前端表膜鈣通透性短暫地增加，導(dǎo)致鈣離子短暫內(nèi)流，而鈣離子內(nèi)流會引發(fā)去極化電位。在草履蟲的后端進(jìn)行機(jī)械刺激，造成了后端表膜鉀通透性短暫地增加，導(dǎo)致鉀離子短暫內(nèi)流，而鉀離子內(nèi)流會引發(fā)超極化電位3。 鈣離子內(nèi)流引起纖毛內(nèi)鈣離子升高，改變了纖毛內(nèi)微管滑動(dòng)的活動(dòng)順序，使纖毛的擺動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)。而細(xì)胞膜復(fù)極化后，鈣離子停止進(jìn)入，由于存在鈣的泵出機(jī)制，纖毛內(nèi)的鈣回到原先水平，纖毛就恢復(fù)向前游動(dòng)的擺動(dòng)方向，這就完成了組成回避反應(yīng)的一連串動(dòng)作。 如果細(xì)胞外溶液中沒有鈣離子，那么，碰觸刺激不再引起纖毛擺動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)。如果用去垢劑“洗”草履蟲，使細(xì)胞內(nèi)外液能自由平衡，然后將其置于含有三磷酸腺苷（ATP）的溶液中，草履蟲會

5、正常游動(dòng)，但是，當(dāng)溶液里的鈣離子濃度升高時(shí)，雖然沒有給于碰觸刺激，草履蟲的纖毛卻會出現(xiàn)反向擺動(dòng)，蟲體向后游動(dòng)4。 有一類草履蟲的突變種Pawn ，其表膜上的鈣通道有缺陷5，這類草履蟲不能作出回避反應(yīng)，溶液中的鈣離子濃度升高也不會令其纖毛擺動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)?？墒牵?dāng)人們把Pawn 膜溶解后，它的纖毛就會在鈣離子濃度升高時(shí)表現(xiàn)出正常的逆轉(zhuǎn)反應(yīng)6。 可見，草履蟲前端的表膜同后端的表膜中離子通道的特性是不一樣的。觸碰刺激作用到草履蟲的前端，打開了位于前端表膜上的鈣通道。穿過了膜的鈣離子使得纖毛內(nèi)微管滑動(dòng)的活動(dòng)順序發(fā)生改變，于是，纖毛的擺動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)，草履蟲倒退著游，表現(xiàn)出回避反應(yīng)。如果觸碰刺激作用到草履蟲的后

6、端，打開了位于后端表膜上的鉀通道，穿過了膜的鉀離子促使纖毛加快正向劃動(dòng)，使草履蟲快速向前游動(dòng)，表現(xiàn)出逃避反應(yīng)。這樣，雖然沒有神經(jīng)，草履蟲依靠原始的機(jī)制，也可以作出靈活的反應(yīng)。2為什么草履蟲會對光、電、磁產(chǎn)生反應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，草履蟲身體可以感受或光、熱、電的刺激7以及磁場的刺激8，9?？墒?，除了草履蟲表膜上可能附有荷電物質(zhì)外，草履蟲胞內(nèi)沒有專門的光、熱、電、磁感受器，是什么原因使得草履蟲可以感受到光、電、磁的刺激？ 草履蟲的細(xì)胞質(zhì)里有細(xì)胞核、蛋白質(zhì)、多糖和脂類物質(zhì)，其余的都是水。細(xì)胞質(zhì)里是水。對細(xì)胞采用自旋回波測量方法的研究表明，細(xì)胞內(nèi)的水并非完全處于游離狀態(tài)，而是呈現(xiàn)“結(jié)構(gòu)化”（structure

7、d）10，11，也就是說，細(xì)胞內(nèi)的水既有液體特性，又有晶相結(jié)構(gòu)特性，是一種液晶態(tài)。研究證明，生命體中的蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等都能夠通過自組裝而呈現(xiàn)液晶態(tài)12。即使是細(xì)胞膜，也被證明具有典型的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)13。因此，一個(gè)細(xì)胞完全是由各種液晶態(tài)物質(zhì)構(gòu)成的。液晶態(tài)物質(zhì)對外界的影響較靈敏。環(huán)境的變化，諸如熱、磁、光、電、聲、輻射、應(yīng)力以及化學(xué)分子等變化，都會分別引起不同的液晶的性狀發(fā)生改變。此外，液晶態(tài)物質(zhì)還有一種特性，即“各向異性”。什么是“各向異性”？若某物質(zhì)的性質(zhì)隨測量方向不同而不同，則該物質(zhì)就是“各向異性”的物質(zhì)。例如，有一種“各向異性導(dǎo)電膠”（Anisotropic Conductive

8、Adhesive，ACA），若從上、下方向測量它的電阻，阻值非常小，具有導(dǎo)體特性；可是，如果從左、右方向測量它的電阻，電阻值就非常非常大，具有絕緣體特性。這種在不同方向上呈現(xiàn)不同特點(diǎn)的性質(zhì)就稱作“各向異性”，或者稱為“取向有序性”。當(dāng)草履蟲所處的環(huán)境中，出現(xiàn)光、熱、電、磁變化時(shí)，對光、熱、電、磁敏感的那些液晶態(tài)物質(zhì)，性狀發(fā)生了改變，這種改變當(dāng)即形成應(yīng)激信息，應(yīng)激信息不會停留在原位，就像碰倒了立在地板上的椅子產(chǎn)生的振動(dòng)會傳到整個(gè)房間那樣，應(yīng)激信息會在細(xì)胞質(zhì)中傳導(dǎo)?？墒牵捎诩?xì)胞質(zhì)不是一包游離狀態(tài)的自由水，這種傳導(dǎo)就不會是均勻彌散的，而是順著胞內(nèi)液晶的阻力最小的路徑進(jìn)行有序傳導(dǎo)。于是，光、熱、電、

9、磁變化時(shí)引發(fā)的應(yīng)激信息順著液晶通道傳播到纖毛，使纖毛產(chǎn)生了趨向劃動(dòng)。由此可知，草履蟲除了通過細(xì)胞膜感覺觸碰和感覺身旁的溶液變化外，還借助于細(xì)胞質(zhì)中的液晶態(tài)物質(zhì)感覺光、熱、電、磁以及聲、輻射等變化。所有的應(yīng)激信息，包括膜電位，都會在細(xì)胞質(zhì)中傳導(dǎo)，要不然，刺入草履蟲身體中的微電極，就記錄不到電位變化。這種細(xì)胞質(zhì)中的原始傳導(dǎo)通路，形成了草履蟲身體內(nèi)的原始應(yīng)激系統(tǒng)。沒有神經(jīng)系統(tǒng)的草履蟲，依靠著原始應(yīng)激系統(tǒng)，可以在水里自由靈活地生活。看上去，就像有神經(jīng)系統(tǒng)一樣。真是有趣，也值得我們深入地進(jìn)行研究。3為什么草履蟲體內(nèi)的食物泡會循序移動(dòng)在顯微鏡下觀察草履蟲的消化過程時(shí)，可以看到，剛形成的食物泡脫離胞咽后,

10、食物泡在蟲體內(nèi)開始循著一定的路線移動(dòng)。先往蟲體后端運(yùn)動(dòng), 再向前端, 然后再移向后端。食物泡怎么會在草履蟲體內(nèi)循著一定的路線移動(dòng)呢？是什么力量在推動(dòng)食物泡移動(dòng)？對此，有人進(jìn)行了電子顯微鏡的研究。在電子顯微鏡下可以看到，在草履蟲的細(xì)胞質(zhì)中，有細(xì)長的蛋白質(zhì)絲錯(cuò)綜地分布著，有些蛋白質(zhì)絲在細(xì)胞核周圍呈放射狀分布。這些蛋白質(zhì)絲統(tǒng)稱為細(xì)胞骨架 (cytoskeleton)。現(xiàn)在已經(jīng)了解，細(xì)胞骨架主要由三類蛋白纖維構(gòu)成，包括微管、肌動(dòng)蛋白纖維和中間纖維（微絲）。進(jìn)一步的研究認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的移動(dòng)是基于“分子馬達(dá)”（molecular motor）的作用（Bray， 1992）。分子馬達(dá)是指小于納米尺度的大分

11、子的移動(dòng)現(xiàn)象。它的移動(dòng)有線型也有旋轉(zhuǎn)型。作為分子馬達(dá)的各種蛋白質(zhì)，如肌球蛋白（myosin）、驅(qū)動(dòng)蛋白（kinesin）、動(dòng)力蛋白（dynein）等，將ATP分子水解提供的化學(xué)能量，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，去驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)移動(dòng)。原來細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)包括食物泡會主動(dòng)移動(dòng)是“分子馬達(dá)”在起作用！那么，食物泡有規(guī)則的移動(dòng)路線是怎么形成的呢？它是否與“分子馬達(dá)”有關(guān)呢？有人認(rèn)為，微絲、微管及其復(fù)合體，為細(xì)胞內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)動(dòng)軌道。分子馬達(dá)在微絲、微管上移動(dòng)。然而，也有人認(rèn)為，“分子馬達(dá)”驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin的運(yùn)動(dòng)，可能不需要微管網(wǎng)架。但不管怎么說，微絲、微管是“短程”的，而且位置方向紛雜，絕沒有沿食物泡循行的路

12、線形成“長途”的連續(xù)通道。可以肯定，在草履蟲體內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)中，一定存在食物泡循行的“通道”。我們注意到：液晶態(tài)的水充盈于細(xì)胞內(nèi)，液晶態(tài)水的水域是細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境。而液晶具有“取向有序性” ，這將影響液晶的流體力學(xué)行為。液晶高分子在呈現(xiàn)液晶相后，粘滯系數(shù)突然降低?！叭∠蛴行颉钡囊壕е?，在阻力最小的取向上形成了有序的“河道”，這就使得細(xì)胞內(nèi)的食物泡不是在液體中雜亂無章地四處飄浮，而是在各種“分子馬達(dá)”接力般的驅(qū)動(dòng)作用下，沿“河道”移行。其實(shí)，在很多種細(xì)胞的體內(nèi)，都可以觀察到細(xì)胞質(zhì)不是靜止的，而是緩緩地沿“河道”有序地流動(dòng)著。通過前面的討論，我們認(rèn)識到：從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視角來看，單細(xì)胞生物是由液晶態(tài)物質(zhì)構(gòu)成的

13、。草履蟲身體內(nèi)的液晶態(tài)物質(zhì)不但可以傳導(dǎo)快速的應(yīng)激信息，還以低阻力的取向，形成路徑，為體內(nèi)物質(zhì)的輸運(yùn)提供了通道。出于這樣的認(rèn)識，我們意識到：在細(xì)胞內(nèi)存在著基于液晶態(tài)物質(zhì)的原始應(yīng)激系統(tǒng)。若要深入研究草履蟲、單細(xì)胞生物乃至所有的生命現(xiàn)象，就要重視活體中液晶態(tài)物質(zhì)的研究。主要參考文獻(xiàn) 1 Eckert R. 1972. Bioelectric control of ciliary activity. Science, 176(34): 473 481 2 Eckert R, Brehm P. 1979. Ionic mechanisms of excitation in Paramecium. Ann

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