科学研究：破解人体温度的更多细节

测量体温 图片来源：pixabay
测量一个人的体温并非难事，只需将体温计放到这个人的舌头下面，示数便会攀升到98华氏度左右。这一温度实际上是由人体内约30万亿细胞产生的热量共同形成的。这一热量遍布人的全身形成人体体温，并且不同种类的细胞所释放出的热量是不同的。
为了真正了解生物调节体温的机制，研究人员必须在单个细胞层面进行进一步的研究。虽然科学家近距离监测分子之间相互作用的能力在过去十年之内有了显著的提升，但是开发能从细胞内部精确测量热性质的工具仍然很困难。
现在一项新的研究填补了这一重要的知识空缺。研究人员首次测量到了人体细胞的热导率，即热量被传导的速率。在一篇上周五发表在Science Advances的文章中，科学家们利用能够同时释放与测量热量的微型金刚石传感器，发现细胞内热导率要比之前预计的低得多。日本大阪大学生物物理学家Madoka Suzuki是这篇文章的作者之一，他说：“我们和该领域其他人都感到十分惊讶”。由于细胞内的液体是由水构成的，科学家们通常认为这些液体会如同水那样传导热量，然而细胞内热量传导速率仅为水的1/5，与油的热导率类似。Suzuki表示：“此前没有人了解活细胞的这一基本属性，而如果不知道热导率，我们就无法建立细胞内温度变化的模型。”
哈佛大学物理学家Mikhail Lukin表示：“人们需要进一步研究这些有趣的结果”，Lukin研发了测量细胞内温度的传感器，但并没有参与到这一项目中来，“如果这些结果被证实是正确的，他们将对未来研究十分重要”。
这些发现也许能够帮助人们了解困扰生物学家已久的有关细胞温度的重大谜题，也就是极端局部化热量激增现象的存在原因。科学家曾经在人体细胞内发现有两点之间出现了几华氏度的瞬时温度变化，这一空间的直径大概在5到120微米之间（也就相当于是在尘螨粪便宽度到尘螨本身宽度之间）。2018年的一项研究甚至称细胞中的长条形能量工厂线粒体，是在122华氏度（50摄氏度）的高温下工作的。


线粒体 图片来源：pixabay
细胞内可以存在跨度如此之大的温度梯度，这让人十分震惊，因为细胞的空间是如此小，而激增的热量又会快速传导开。但葡萄牙阿威罗大学的纳米科学家Luís Carlos表示：“这份报告十分令人信服”，Carlos主要研究细胞间温度测量，但并没有参与到新研究中来。“我认为过去五年的实验数据都一致指明细胞内存在温度波动”
Suzuki和他的同事在新的研究中，借助了最先由Lukin开发的技术创造出由热释聚合物包裹的荧光纳米金刚石传感器。无论多么轻微的局部温度改变都会扩大纳米金刚石的缺陷从而改变在其激光照射下发出的荧光强度。Lukin表示，由于金刚石具有高度的惰性，这种方法要比其他的测量方法更稳定。
Suzuki表示，新研究确定的热导率虽然不能解释线粒体中剧烈的热量激增，但是可以解释几华氏度这样程度较轻的热量增加。他认为这些热量变化是人们从未发现的细胞内信号系统。例如，热量的上升也许能指导蛋白质折叠或散开，能推动某些酶促反应的进行，或者为肌肉中调节钙离子浓度的通道提供反馈。


蛋白质的折叠与散开 图片来源：pixabay
Suzuki和Lukin一致认为需要进行更多的研究才能够确定这些温度梯度是否真的存在，如果真的存在他们又是如何产生的。Lukin表示：“这是一个令人困惑的重要问题，我们必须解决它，事实上这一新的工具就有可能回答这个生物问题——我觉得这真的是非常重要的新进展了。”
撰文：Alla Katsnelson
翻译：先雨
审校：殷姝雅
引进来源：科学美国人
引进链接：https://www.scientificamerican.com/article/mysterious-heat-spikes-inside-cells-are-probed-with-tiny-diamonds/


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