问题:不是说细胞膜的半透性能使液体浓度低的一边向液体浓度高的一边渗透吗?那么为什么手脚在水里泡久了,不是发胀而是发皱捏?
简单来说,泡水后手指皮肤会发皱的现象,是由于在手指等部位,皮肤的角质层细胞吸水膨胀导致的。我们的皮肤分为三层,表皮、真皮和皮下组织。表皮层的细胞一直在生长、更新,最终死亡,成为表面的角质细胞。一般认为皮肤吸水发皱主要发生在这一层。
关于角质层细胞吸水的原理,目前主要有两种解释。“半透膜”理论:细胞膜具有半透膜的特性,可以使水份从低浓度的一方流向高浓度。角质细胞虽然是“死细胞”,但不影响膜的半透性。细胞内的液体相对于外部的水来说,属于浓度较高的一方,因此就会从外部向内吸水。“毛细作用”理论:角质细胞内存在大量蛋白,这些蛋白对水产生了毛细作用,将外部的水吸入细胞内。这与纸巾、海绵吸水的原理是一样的。
为什么吸水后的皮肤会发皱?角质层的内部结构,可以很形象描绘为“护城墙”——角化细胞是墙上的“砖头”,脂质是砌墙的“泥”。脂质的作用不仅是把细胞连接起来,更是阻挡水分通过的良好屏障。这种情况下,水分只能一层一层的逐渐往里突破。因此,泡水的皮肤并非内外整体一起膨胀,而是外层细胞膨胀较大,内层细胞膨胀较小,呈扇形模式。这就导致最外层皮肤表面积增大。这一层皮肤在挤压之下,发生了起皱现象。
为什么这种现象发生在手指?发皱的现象常常在手脚指的表面出现,可能的原因包括:这些部位皮肤的角质层较厚,膨胀效果明显。当然,太厚太硬的部位也很难起皱,例如手掌根部等。这些部位皮肤是没有皮脂腺的。皮脂腺分泌皮脂,这是一种油脂,覆盖在皮肤表面,对水份有阻隔作用。皮脂少的部位,水分更容易进入角质层。这些部位的皮下脂肪不多。脂肪有良好的弹性,皮下脂肪多的部位比较不容易发皱。
至于起皱的理由,科学家的解释多种多样。其中一种假说是,这样的手脚有助于我们抓的更稳:当我们在浴缸里泡澡的时候,手指和脚趾上的皮肤为什么会起皱呢?科学家们早就提出了一种假说,认为起皱后的手指就像是汽车轮胎的胎面,能增强我们在潮湿或水下环境中对物体的抓握能力,而最近的实验研究终于发现了支持该假说的证据。
人们常常以为手指起皱是由于皮肤受到浸泡后的膨胀,但自20世纪30年代以来研究人员就知道这并不是真正的原因,因为受到神经损伤的手指在浸泡后不会出现起皱的现象。所以,手指起皱应该是一种由人体自主神经系统控制的无意识反应,自主神经系统还能够控制人体的呼吸、心率和出汗等。事实上,手指起皱是由皮下血管收缩而引起的。
2011年,位于爱达荷州博伊西市的2AI实验室的演化神经生物学家马克·钱吉齐(Mark Changizi)及其同事们认为,手指遇水起皱的现象必然有其演化机制。该研究团队还发现,手指起皱之后皱纹的模式非常有利于排水,这种排水网络可以增大抓握东西时的摩擦力。不过研究者一直没有证据能够支持这一假说。
而在最新的研究中,参与者分别用干燥的手指和在温水中浸泡30分钟后的手指对不同大小的大理石块进行抓握试验,这些石块也是有的干燥、有的潮湿。结果显示,浸泡过的手指抓起潮湿大理石块的速度要更快,但是对于干燥的大理石块来说,两者并没有明显的区别。这项研究的成果已经在《生物学通讯》(Biology Letters)上发表。
“我们已经证明在潮湿的环境下,起皱手指的抓握力会更大一些,这就类似于汽车轮胎的胎面,在增大了与地面的接触面积之后,其抓地能力自然会随之提高,”上述研究的联合作者、英国纽卡斯尔大学的演化生物学家汤姆·斯马尔德斯(Tom Smulders)说道。斯马尔德斯补充说,起皱的手指能够帮助我们的祖先在潮湿的植被或河流中采集食物,而起皱的脚趾则能帮助他们在雨中站得更加稳当。
钱吉齐介绍说,他们的研究结果为“起皱手指具备更强的摩擦力”提供了实实在在的证据,而这也与团队的形态学研究结果是一致的,现在他们要做的事情是弄清在其他动物身上是否也有同样的现象,“目前除了人类和猕猴,我们还不清楚有哪些动物的皮肤有类似的功能。
”此外斯马尔德斯还补充说,科学家还没有弄清楚为何人类的手指没有保持永久起皱的状态,不过他对此也有自己的看法:“我们认为皮肤在起皱之后,其灵敏度会有所降低,这就会增加手指在抓握物体时受伤的概率。”