高精度测温 — 直接从蛇坑中取出

在动物王国中，有许多物种通过熟练地破译来自周围环境的微弱信号来理解他们的世界。

一只在地面上翱翔的老鹰窥探着下面的一条河鱼，即将吞下一只虫子;一只饥饿的黑熊在两英里外的茂密灌木丛中闻到一口食物的味道;一只鸭嘴兽在淡水小溪中游泳，闭上眼睛，探测附近美味蝌蚪的电脉冲。

然后是蝮蛇。

这些蛇生活在从丛林到沙漠的各种栖息地，它们使用位于鼻孔附近的强大红外传感器，通过感知最微小的温度变化，在黑暗中寻找猎物——它们通过热敏离子通道实现这一点，这些离子通道只能与人类的感觉器官相提并论。

蝮蛇是如何做到这一点的？耶鲁大学的两位物理学家可能在一种新的数学模型中发现了答案，该模型在《美国国家科学院院刊》杂志上的一项新研究中进行了描述。

“为了找到猎物，蝮蛇需要用它们的感觉器官检测毫开尔文温度的变化，要求整个器官的灵敏度是它们潜在的分子传感器的1000倍，“耶鲁大学艺术与科学学院（FAS）物理学博士后研究员Isabella Graf说。

开尔文是国际公认的测量温度的基本单位。

“更重要的是，这些蛇有时生活在沙漠中，那里的环境温度在白天和黑夜之间变化很大，“格拉夫补充道。“在千差万别的环境中，灵敏度低得多的传感器怎么可能可靠地检测到毫开尔文温度变化？”

格拉夫和FAS物理学助理教授、耶鲁大学定量生物学研究所成员本杰明·马赫塔（Benjamin Machta）表示，这种解释可能是一种生物学机制，使蝮蛇能够放大小信号，并以高保真度将它们传输到大脑。

在这项研究中，研究人员创建了一个数学模型，该模型使用统计物理学和信息论的概念来理解来自蝮蛇各个离子通道的传入温度信号如何共同影响神经元反应。在数学模型中，存在一个“分岔”——神经元反应发生质变的点，单个灵敏度较低的温度传感器表现出高度的合作。

“在这个分叉点附近，我们发现蛇的大脑可以获得几乎与每个传感器一样多的温度信息，就好像它可以从每个单独的传感器读取测量值，然后将它们完美地平均在一起以获得一个最佳准确的测量值，“Machta说。

这就是蝮蛇在夜深人静时找到晚餐的方式。

这项新研究还解释了蝮蛇在昼夜温度变化中保持热敏感性的方式。研究人员表示，他们的数学模型包括一个“反馈”功能，可以在整个温度波动期间自动保护系统的整体灵敏度。

Graf 和 Machta 表示，他们的新模型可能具有超越蝮蛇夜间游荡的应用。

“类似的反馈和设计原则可能会在其他感觉系统中发现，这些系统也需要在不同的环境中检测微小信号，“格拉夫说。

该研究得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）、西蒙斯研究者奖（Simons Investigator Award）和德国研究基金会（German Research Foundation）的支持。