为什么冷和热会造成痛觉?

(图片来源:iStock) Image copyright iStock

表面来看,滚烫的华夫饼(waffle,或称松饼)烘烤模具与冰块似乎没有多少共同之处,但它们在某一方面具有相似性:都能给人带来痛感。极端的热和极端的冷都能给人类的皮肤带来严重损害,而且大脑对这些极端温度的监测方式也具有相似性。

我们经常认为皮肤和嵌入其中的神经主要负责触觉,但是生物学家所谓的"躯体感觉"("somatosensation")实际上包括广泛的多种感觉。

当然,它包括触觉在内,或者说对皮肤受到机械刺激的察觉。但也包括本体感觉(proprioception),即感知身体的方向和位置的能力。还有伤害感受(nociception),这是身体感知有害刺激的能力。疼痛感是身体对伤害感受的反应。

Image copyright iStock
Image caption 我们对寒冷的反应跟身体里的一种特定的蛋白质相关

无论疼痛感是机械的,化学的还是与温度相关,伤害感受促使我们逃避它。把手伸到火中,由此产生的烧灼感会触发你的身体尽快把手拿开。疼痛感可能会让人感到不舒服,但实际上它证明了你的身体正在努力保护你的安全。假如你失去了感觉疼痛的能力,那才是真正的麻烦。

杜克大学的神经生物学家乔戈·格朗德(Jorg Grandl)说:"基本原理是感觉神经元以一组通道的方式贯穿你的整个身体,这些通道会被热或冷的温度直接激活。在过去的十五年里,通过研究经过基因修改的老鼠,研究人员已经能够证明这些通道——神经元壁内的蛋白质——与温度的感知直接相关。

其中,科学家了解最多的是TRPV1,它对极度高温作出反应。TRPV1在42℃(107.6°F)以下通常不会被激活。人类和老鼠通常认为这一温度会造成痛苦。一旦你的皮肤达到该阈值,通道就被激活,它会进一步激活整个神经,并把信号传输到大脑,并附上一个简单的信息:哎哟!

"对于冷而言,基本上也适用同样的机制,"格朗德解释道。不过对冷作出反应的蛋白质是TRPM8。它不会对极端寒冷作出反应。相反,这个通道会在遇到较冷的温度时被激活,而不是让人疼痛的寒冷。

剩下的是TRPA1,它可能是此类蛋白质中科学家了解程度最低的。虽然研究人员发现它会在极冷的刺激下被激活并作出响应,但不清楚它是否实际参与温度探测的过程。

Image copyright iStock
Image caption 把你的手指伸到蜡烛的火焰上,TRPV1会被激活

这三种蛋白(TRPV1、TRPM8和TRPA1)综合起来使皮肤能够检测一定范围的温度,并让身体相应地作出响应。由于这些蛋白质是伤害感受器,所以它们的工作是帮助你躲避某些温度,而非寻找它们。以携带缺陷版本的TRPM8受体的老鼠为例,它们不再躲避较冷的温度。这意味着,老鼠——很可能人类也是这样——不会主动寻找舒适的温度。相反,他们会主动避免极冷和极热,这就解释了为什么老鼠似乎更喜欢温暖、温和的环境。

虽然研究人员已经确定了这些TRP受体进入活跃状态的温度边界,但这并不意味着它们不能被调节。毕竟,如果你被晒伤了,即使是温水淋浴,你也会感到烫。 "研究表明,具体原因是皮肤的炎症使TRPV1通道更加敏感,"格朗德说。这一变化会降低这些神经将疼痛感觉传达给大脑的阈值。

不仅温度可以激活这些受体,植物也会激活它们。这也许并不让人感到惊讶:在极热情况下会被激活的TRPV1,在遇到辣椒素时也会被激活。辣椒素是使辣椒产生烧灼感的化合物。而TRPM8会对薄荷叶中的化学物质薄荷醇的冷却能力产生反应。TRPA1也被称为"芥末受体",因为它遇到芥菜植物中的化合物时会被激活。

为什么这些被温度激活的受体同样也会被植物产生的化学物质激活?正如华盛顿大学分子生物学家阿贾伊·达卡(Ajay Dhaka)所解释的,辣椒素对鱼、鸟或兔子中的TRPV1没有作用,但它会与人和啮齿动物中相同的受体结合。 "所以,也许植物进化出辣椒素是为了让一些动物不要吃它,把它留下,"给其他可以接受这个味道的生物食用,他说。表面上来看,在薄荷醇和芥末的进化背后也存在类似的力量。

Image copyright iStock
Image caption 对热度产生反应的TRPV1也会被辣椒中的辣椒素激活

换句话说,植物和温度之间的这种奇特关系或许更多的反映了植物而非动物的进化历史。也许植物发现了一种方式来利用人类身体的这种温度检测能力,从而进化出一些能够在偶然情况下激活对冷热产生痛感的受体的化合物。

因此,当我们沾着墨西哥辣椒酱吃零食时,身体出汗并不是因为辣椒自身的任何固有属性,只是因为辣椒素和热度会以相同的方式激活皮肤的神经,从而对身体造成刺激。

这些植物通过利用有害刺激的受体,发现了避免被吃掉的隐秘方法……除非我们能找到一种方法来享受辛辣食物的烧灼感和芥末让人出眼泪的味道。所以下一次如果你在吃了一碗辣椒后感到心跳加速,那么不妨花一点时间来反思,有没有可能这是数百万年植物和动物之间进化斗争的结果。虽然至少从目前来看,我们似乎已经取得胜势。

请访问 BBC Future 阅读 英文原文

更多有关此项报道的内容