科学家揭示细胞内神秘能量流动，或将开启新篇章

阅读这个故事时，您将学到以下内容：

• 我们的身体充满了能量，我们的细胞利用经过数十亿年进化而形成的方法来使用这些能量。
• 然而，一项新的研究表明，细胞可能正在利用一种被称为柔性电效应的惊人能量来源，它将机械变形转化为微小的电信号。
• 研究人员建议，围绕细胞的膜所处的翻腾、非平衡环境可能足以支持生物功能，例如离子运输。

生命需要能量，这很正常，构成我们身体的细胞在数十亿年的进化过程中变得非常擅长利用手头的任何能量来源。当然，科学家们早就知道细胞呼吸的过程，这个过程会产生三磷酸腺苷（ATP），一种能量形式，但一项新的研究声称，我们的细胞如何利用其周围环境中嵌入的能量还有很多需要了解的。

发表在期刊PNAS Nexus上的研究，来自休斯顿大学和罗格斯大学的研究人员将“柔性电效应”的概念应用于活细胞，以研究这种将机械变形转化为电信号的现象是否能成为重要的能量来源。研究人员发现，细胞周围膜的波动产生了大约90毫伏——足以使一个神经元发放。

“活细胞因分子运动和活动而不断经历纳米尺度的膜的波动。这些波动会产生电吗？”作者写道。“我们展示了这些活跃的波动现象，当与普遍的电机械特性——弯曲电效应相结合时，可以产生跨膜电压，甚至可以驱动离子运输。”

这项新研究由休斯顿大学的普拉迪普·沙尔马领导，他几十年来一直在探索更具人工特性的平台中的挠电效应（flexoelectricity），包括软机器人、医疗设备和其他自供电的自主传感器。这些技术的核心是压电效应，这是一种现象，某些材料在受到机械应力时会产生电荷。这些材料的振动可以有效地产生交流电，这些材料广泛应用于各种技术中，从智能手机到超声波传感器等设备都有它们的身影。

“在纳米尺度上，柔性电效应让普通材料像压电材料一样工作，”Sharma在2009年的一次采访中说道。“也许更重要的是，这种现象在已经是压电材料的物质中也存在。你可以让这种效应更强。”

虽然这一现象在宏观尺度上得到了充分研究，但作者认为，细胞层面的压电特性仍然不太为人所知。研究人员发现，细胞膜的环境可能是发生弯曲电效应的理想场所，这是因为在平衡状态下产生的能量会基本相互抵消，而细胞膜则因蛋白质动态和ATP水解等过程被迫脱离平衡。作者认为，这一发现为机械工作与生物电的相互作用提供了新的平台，这甚至可能对生物启发的计算平台，比如类脑计算，产生深远影响。

“研究神经网络中的机电动态，可能会将分子柔性电效应与复杂的信息处理相结合，这不仅有助于我们理解大脑功能，还能推动仿生计算材料的发现，”作者们指出。