生活第36集:癫痫和寿司

一个多世纪以来，从身体的一端到另一端传递信息的神经或神经元一直吸引着解剖学家。一个突出的问题是，这些长达几米的细胞是如何为细胞的所有偏远部分提供能量和原材料的，而这些通常只在细胞的一个中心区域产生。一种流行的观点是，神经元包含一个微观的传送带系统，它将物质运送到细胞内需要到达的地方。但是，通过建立一个数学模型来解释这是如何发生的，一位科学家发现，任何等待像这样的系统提供晚餐的人最终都会非常饥饿，所以一定有别的事情在发生，正如他向克里斯·史密斯解释的那样……

蒂莫西:我是剑桥大学的蒂莫西·奥利里博士，我是信息工程和神经科学的讲师。今天，我们在剑桥的一家寿司店，这是一家拥有时髦的寿司带机制的寿司店，当顾客坐在寿司带周围时，所有的菜都可以送到顾客手中。

克里斯:这和细胞生物学有什么关系?

蒂莫西:我感兴趣的细胞是神经元，神经元基本上是让你的大脑工作的细胞。一个典型的人有大约860亿个神经元，一个神经元可以潜在地连接数千个其他神经元，正是这种连接赋予了你的大脑力量。那么，神经元是如何相互连接的呢?为了伸出手去和它们的邻居联系，它们有这种又长又细的树枝状突起，叫做树突。所以如果我们在显微镜下观察一个神经元，它看起来就像一棵树，一棵枝繁叶茂的树，有很多树枝，有些还很长。如果我们放大这个神经元，观察其中一个分支的内部，我们会看到有很多东西在分支上上下移动。这是因为神经元是由许多蛋白质和小成分组成的，这些成分都需要在细胞内制造和移动。所以有时候物质需要在细胞的一部分制造出来，然后转移到细胞的另一部分。我们使用的类比是寿司带因为细胞内确实有一些东西以类似寿司带的方式移动这些货物。

克里斯:实际上，你可以想象一下，核心是一本食谱，厨师站在那里，烹饪东西，把它放在盘子里，然后放在寿司带上。它们在牢房周围被运送，而牢房中需要它们的部分将在不同的地方从寿司带上取下盘子并使用它们。

蒂莫西:这就是我们目前的情况。

克丽丝:有什么问题吗?

蒂莫西:生活并不是这样的。在分子水平上，这些粒子的运动是随机的，这意味着其中有偶然因素。为了解释这在寿司店的比喻中意味着什么，让我们想象一下，我们正在等待金枪鱼卷，而它离我们只有几英尺远。但是随机地，传送带改变了方向，开始向另一个方向移动，这将是非常令人沮丧的。但更令人沮丧的是，如果我们旁边的人根本不想要金枪鱼卷，只是拿起金枪鱼卷，在桌子上放了一会儿，然后可能决定把它放回腰带上。这些都是在分子水平上偶然发生的事情，正是因为这个原因，我们可以预期，在神经元内部的运输机制中，有时会有很长的延迟。

克里斯:细胞能忍受长时间不吃金枪鱼卷吗?实际上，你是说这是非常重要的限制吗?一定有别的什么原因导致细胞无法忍受这种情况?

蒂莫西:这就是这项研究的动机。我们所做的就是收集实验数据，科学家们测量了这些微观粒子的运动，然后我们简单地进行了测量和数学运算。我们算出了一组粒子穿过一个典型大小的神经元平均需要多长时间。结果有一个数字大得令人失望。在一个典型的神经元中分配货物可能需要数小时或数天的时间。这让我们很惊讶，因为我们中的许多人认为货物可以在最坏的情况下在几分钟或几小时内分发出去。

克里斯:细胞会不会做一些其他的事情呢?细胞会不会说，“嗯，我可以容忍寿司带的一些限制，但同时，我也会有自己的本地解决方案，我会在本地制作一些东西，这样我就不会受到阻碍了。”所以如果现在寿司带上没有，我就自己做。”

蒂莫西:这是绝对正确的，事实上，近年来，人们观察到神经元确实有能力在局部制造它们需要的东西。然而，他们在当地生产的东西的原料和制造它们的机器仍然需要运送到这些地方。我们的观点是，这可能比目前认为的要长得多。

克里斯:我想你所做的是，a.)强调其中的一些不一致，但你现在也用这个模型产生了一堆可测试的假设。

蒂莫西:没错。所以，现在窥视一个活的神经元内部并观察这些组成部分的运动已经成为可能。人们现在可以做的各种实验可以开始解决模型的一些预测。我们可能会发现，实际上，神经元比我们想象的要聪明得多，它们能够比我们的计算表明的更有效地分配成分。这就是为什么我们的模型做了尽可能少的假设。现在，如果进一步的观察与这些预测相矛盾，那么我们知道，实际上，我们对这个分子寿司带的理解还有一些缺失。

亚马逊雨林在南美洲占地面积超过550万平方公里。有些人称它为“地球之肺”，因为森林每年吸收超过20亿吨的二氧化碳。但该地区正受到伐木的威胁，包括“选择性伐木”的做法，尽管这对森林和碳预算的影响尚不清楚。克里斯·史密斯从一位研究人员那里得知……

卡米尔:我是卡米尔·皮波尼奥，在法属圭亚那大学工作。我们在这里看到的是“选择性砍伐”，这在亚马逊地区是一种普遍的做法。它包括有选择地采伐几棵树，让森林的其余部分在采伐后再生。我们知道它对森林有很大的影响，你砍伐的树木和你砍伐的树木会向大气中排放碳，这意味着温室气体。但我们也知道，剩下的森林重新生长的部分会储存碳，这就是我们感兴趣的——它是如何储存碳的。

克里斯:这是一个相当复杂的问题，不是吗?那么你是如何研究这个问题的，并计算出这个过程对整个亚马逊地区的影响，因为亚马逊是一个很大的地方，所以整个亚马逊地区都是一样的吗?

卡米尔:是的。所以，我们所拥有的是来自卫星的数据，这些数据可以告诉你森林是如何生长的，或者你可以得到地面上测量的数据，比如树木生长的测量数据。每棵树都被测量过，这就是我们所拥有的。我们在亚马逊各地都有一些被砍伐过的地块，然后对它们进行了几年甚至30年的测量。通过使用这些数据，我们获得了大量关于伐木后森林中发生的所有过程的数据。

克里斯:所以你可以通过观察伐木的规模、某些树木的砍伐以及大树被砍伐时造成的损害来计算出碳排放量。然后你可以看一下长回来的东西因此，你认为它在长回来的过程中吸收了多少碳你可以做一下碳方程。

卡米尔:没错。你可以很容易地测量出第一年排放了多少碳。要获得记录后所有进程的数据要困难得多，因为它会持续几十年。

克里斯:那么，这种情况发生的规模有多大?告诉我们亚马逊有多少土地正以这种方式被开发?

卡米尔:在亚马逊地区，每年至少有200万公顷的土地被开采，这意味着每年整个地区的1%被开采。

克里斯:天哪!那很多，不是吗，1%?当你开始计算碳的总和时，这些数字是什么样子的?方程是什么样的?

卡米尔:我们研究了气候和土壤特性的影响，发现不同地区之间存在很大差异，降雨量少、降雨季节性强的地区在伐木后碳储量更少。因此，森林在砍伐后生长得更少，储存的碳也比亚马逊北部少，那里降雨更多，季节性降雨更少。在那里，我们看到储存了更多的碳，尤其是伐木后留下的大树。

克里斯:你的意思是，虽然你发现了这种关系，但亚马孙地区并不是每个地方都平等，有些地区比其他地区更容易受到某些类型的伐木或农业活动的影响。所以，这不仅仅是一个简单的例子，我们有一个放之四海而皆准的政策来可持续地砍伐亚马逊雨林。

卡米尔:对，没错。我们发现，在任何地方，大树都能储存更多的碳。所以，我想，避免对大树造成损害的伐木做法将有助于伐木后的碳回收，但并不是所有地区都是一样的，亚马逊南部更容易受到伐木或其他做法的影响，伐木后生长得更慢。

克里斯:那么，你想要传达的信息是什么?这将如何改变我们对亚马逊管理的看法?

卡米尔:亚马逊是一个非常多样化的地区，当我们考虑规划伐木时，我们必须非常小心，因为这可能会对一些森林造成更大的影响。此外，如果我们想改进碳模型，考虑气候或其他环境变量是非常重要的，因为你可以大大提高模型的准确性。