有毛细胞：启示人耳进化之路

研究人脑的机械学者认为，人脑有了不起的精美完善的构造。如果从查尔斯·达尔文的进化论的思考方式出发，认为身体和脑的构造不是神所创造的，是通过进化过程得到的设计结果，把进化过程的设计程序推导出来，大概能够满足工程师们的好奇心吧。

举一个构造例子，人的听觉系统和前庭系统（平衡感觉系统），有一个叫作内耳的传感器，而内耳巧妙地利用了像挂东西的弹簧那样可以检测出声音和振动的“有毛细胞”，如图1.5.1a所示，细胞体呈圆柱形，直径约为10μm，长度10μm，毛状组织的直径约为500nm，从机械工程技术的角度来看，作为振动传感器的机械构造机制，就是在有毛细胞的毛根处贴上了变形量具，这在实际的生物进化的过程中，采用了什么样的原理呢？

（1）具有弹簧结构的声音与振动传感器：有毛细胞 在电子显微镜下把有毛细胞扩大观察，各毛状组织之间通过细纤维连在一起并相互作用，如图1.5.1a所示，细纤维直径约为3nm，进一步扩大倍数观察，细纤维由叫作离子频道的蛋白质构成。当有毛细胞的毛倒下来时，离子频道开关打开；当有毛细胞的毛直立时，离子频道开关关闭。就是说，这是一个用弹簧来实现开关动作的机械结构。通过离子频道开关动作来实现细胞内外的离子交换。有毛细胞的外侧钾离子（K⁺）的浓度较高，离子频道一旦打开，钾离子（K⁺）就会向细胞内移动，结果如图1.5.1b所示，细胞膜之间的电位就会发生变化，就是说，只要毛的部分有0.3nm的移动变化，有毛细胞就会有电位变化的反应，毛的位置变化达到20nm后，有毛细胞的电位变化反应就会达到饱和。

图1.5.1 有毛细胞的传感器功能

a）有毛细胞的构造 b）离子频道通过弹簧的力量进行开关动作

通常，向细胞传达外部情报时，只要把埋在细胞膜上的离子频道窗口打开，而神经细胞，多数是利用化学物质来打开其他神经细胞膜的离子频道窗口来传递情报，是一种化学性质的传感器。它通过化学物质的接触来改变蛋白质的构造，以便使离子通过。但是，化学反应的速度有限，从原理上来说无法在短时间内完成情报传递，无论如何必须有机械式的构造，这种大自然在进化过程选择的生物体内构造设计的答案，就是有毛细胞。

接下来，再观察有毛细胞这种机械式的声音振动传感器是怎么样使用的。在耳朵的深处，如图1.5.2a所示，有所谓内耳的不可思议的构造物，内耳的上半部称为三半规管，下半部称为蜗牛管。(www.xing528.com)

（2）用三半规管来生成平衡信息 三半规管产生平衡感觉的信息，蜗牛管产生声音的信息。

在三半规管里有三个中空的轮壳，里面充满了淋巴液，轮的中心部分为一个梨状物，如图1.5.2b所示，梨状物的根部周围被一圈有毛细胞的毛包围住。一旦身体运动，人的头部摇晃时，淋巴液在三半规管里由于惯性力而产生晃动，进而带动梨状物摇晃，在其根部周围的有毛细胞就会发出相应的电位变化信号，这样的加速度信号就传递到前庭神经纤维上。在三半规管的中心部位一个叫作耳石器的器官，如图1.5.2c所示，在有毛细胞的毛部，覆盖有一层明胶（gelatin），而明胶上覆盖有一层叫作耳石的重粒块石头。当人的头部倾斜，耳石的运动惯性就会使有弹性的明胶变形，带动有毛细胞的毛纤维倒向一边，产生电位信号，使人感知头部加速度和平衡姿势。

（3）使用蜗牛管来生成声音信息 蜗牛管把声音和振动信息分解成不同频率的信号，把它变成神经信号。蜗牛管有像蜗牛壳的螺旋构造，人耳朵里的蜗牛管有两圈半螺旋结构，全长展开约为30mm，直径为2mm，如图1.5.3a所示，将蜗牛管的螺旋拉直展开（A—A），观察其断面图。蜗牛管分成前庭阶、中心阶和鼓室阶三个阶段，各个阶段管腔里充满了淋巴液。在中心阶，如图1.5.3b所示，有一个叫作皮质生理器的接收声音信号的听觉器官。在皮质生理器的基底皮膜的变形信号，也是由有毛细胞来检出的。

蜗牛管的机械特性如图1.5.3c所示，在前庭阶和鼓室阶的基础（前面）部分各开有椭圆形和正圆形的窗口，前庭阶和鼓室阶与蜗牛管最前端叫作蜗牛窗的孔相连。声音的振动信号是通过耳朵的镫骨（像马镫的D形骨头）从椭圆窗口传递到蜗牛管内的淋巴液。

前面提到的皮质生理器，其基底皮膜具有令人惊叹的机械特性。基底皮膜的构造并非均匀的，基底皮膜的前端宽而柔软，往后延伸则渐渐收窄并发硬。前端部与声音的低频部分共振，收窄并硬化的部分则与声音的高频部分共振，对应于不同频率的声音振动，基底皮膜的不同区段的最大变化位置就区别开来了。

再进一步观察分析，耳朵的镫骨（也称听骨）一旦运动，在淋巴液中就会产生波动，如果取一个来自镫骨的能量节拍来分析，如图1.5.3d所示，在基底皮膜的中心区域会发生最大变形，而对一个特定的频率的声音，镫骨所传递的振动频率会如何反应呢？由于基底皮膜的软硬宽窄的微妙共振特性，蜗牛管能够对声音的振动通过机械上的福里哀变换进行时间上的识别，完成对不同频率声音的识别。