跳躍伝導 一体何が跳躍しているのでしょうか？

跳躍伝導について質問があります。

跳躍伝導
「有髄神経では軸索を髄鞘が囲んでおり、一定間隔で髄鞘が存在せずに軸索が露出しているランヴィエの絞輪と呼ばれる部分がある。この絞輪部にNaチャネルが、髄鞘部に早いKチャネルが高密度に分布している。1個の絞輪が脱分極して興奮すると、電流は軸索を通って次の絞輪に流れ、そこで脱分極を起こす。この繰り返しによって興奮が伝導していく。その結果、脱分極はこの絞輪の部分で起こるため、興奮が絞輪から絞輪へと跳躍して伝導しているように見えることから跳躍伝導と呼ばれる。」

これはWikipediaより抜粋したものですが、大体どの本でもこのようなことが書かれています。よく生物の教科書に感じるのですが、イメージは掴めてもっともらしく聞こえるけど、どうも解せません。どれもごまかしているようにさえ聞こえます。物理、化学的な本質が知りたいです。

有髄神経で跳躍しているのは一体何でしょうか。『電流』と上記では書かれていますが、自由電子があるわけないですから、溶存のイオンですよね。イオンが絞輪から絞輪へ移動しているのでしょうか？

無髄神経だって、結局のところ情報の伝導を担っているのはイオンですよね。

すると、無髄神経、と一体何が異なるから有髄神経の方が伝導が速いのでしょうか？　

どうか宜しくお願いします。

No.10 回答者： ga111 回答日時： 2010/01/12 10:32

より、イメージしやすい例を思いつきました。

細長い風船における空気圧です。右端Aを押せば左端Bの圧力が増します。A付近の空気分子はBに瞬間移動すために動かなければならない、というのは考えにくいですね。

この場合、A付近の空気分子がBとの間の空気分子をつぎつぎに押して、B点での圧力に変化が起きるのです。ここでの圧力と実質的な空気分子の移動は電圧と電流に相当すると思います。そして、チャンネルはこの圧力を感知するのです。＝電位依存性イオンチャンネル

＞電荷の移動を担っているのが，前者ではイオン，後者では電子

そう考えていいと思います。そして再び、電圧、膜ポテンシャルが無視されているのです。

No.9 回答者： ga111 回答日時： 2010/01/09 22:30

>活動電流の正体は，イオンの流れのはずです．それ以外に電荷をもった輩が生体内にいるとは思えません．だとしたらです．なぜにイオンがA点からB点に移動するのですか？

いや、そうではありません。あなたの論理によると、電気回路における電圧の概念がでてきませんね。電圧の概念を取り入れて反論する必要があるのは明らかです。膜の電位（膜電圧、メンブレンポテンシャル）はこの辺の分野でよく理解する必要があります。電圧と電流、抵抗の関係は以下のようです。

http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/denryu.html

すなわち、有髄神経では神経細胞の膜の電気抵抗がより高いといえるでしょう。

この回答への補足

生体神経のネットワークを一般の電気回路で説明しようとする話はよくありますね．では，「なぜ　そうやって代替して説明できるのか」を説明できますでしょうか．　

これは本質に迫った内容とお考え下さい．

「教科書に載っている」とか「そう言われている」とか，
「電圧の概念を取り入れる」で済ませてはならないと思った次第です．

「電圧の概念を取り入れる」のはいいですよ．では，なぜ取り入れていいのでしょうか．生体神経の振る舞いが，「結果として」，一般の電気回路と同等だった，と言うのは結果論です．なぜ，同等に働くのか，これを紐解きたいです．

生体神経と一般の電気回路，全く異なるのは，電荷の移動を担っているのが，前者ではイオン，後者では電子，ということです．果たして，同等と考えてよいでしょうか．自分ももう少し考えてみようと思います．

補足日時：2010/01/12 05:40

No.8 回答者： wacky4 回答日時： 2010/01/07 21:10

＞A点のイオンチャネルが解放されて，脱分極したので，A点の膜外電位は下がります（膜内電位は上がる：脱分極）．でもB点はまだ脱分極していないので，膜外電位は高い．するとイオンの移動が起こる？　

　そのような考えでいいと思います。このイオンの移動を活動電流と考えることはできませんか。

＞しかしです．ここで跳躍伝導の話に戻りましょう．A点とB点の間に絶縁体があるからと言って，なんでイオンの移動が速くなるのですか？　
　イオンの移動は速くなりません。ところで，伝導は次の連鎖反応で起こります。脱分極→イオンの移動→脱分極→イオンの移動→脱分極→イオンの移動→･･････････です。イオンの移動は電流ですから瞬間ですが，脱分極には長い時間を要します。有髄神経は，活動電流が髄鞘を飛び越えた分だけ，脱分極の回数が少なくなり，脱分極にかかる時間を節約することができるので伝導速度が速くなります。
　ランビエ絞輪間を，活動電流が流れることを納得できませんか。イオンの移動ととらえて差し支えないと思います。ただし，電流の流れる速度でイオンが移動しているわけではないことを付け加えます。

No.7 回答者： wacky4 回答日時： 2010/01/07 09:45

　細胞膜に刺激が加えられると，ナトリウムチャネルが開き，脱分極が起こり，興奮(活動電位)が生じます。

これだけだと，興奮の伝導は起こりません。細胞膜の外側の興奮部位と静止部位の間には電位差が生じており細胞膜の内側の興奮部位と静止部位の間にも電位差が生じています。そのため活動電流が流れます。活動電流は，微弱なものですが，静止部に活動電位を生じさせる刺激としては十分な強さです。そして，刺激→興奮→活動電流→刺激･･･というような連鎖反応が続くことで軸索の細胞膜を興奮が伝導していきます。
　刺激から興奮が生じるには比較的長い時間を要しますが，活動電流はほんの一瞬です。無髄神経では，興奮部位とすぐ隣の静止部位の間の近距離で活動電流が流れるので，刺激から興奮までの長い時間を要する過程を数多くくり返す必要があります。それに対して有髄神経では，活動電流は絶縁体である髄鞘を飛び越えて，ランビエ絞輪間で流れますから。飛び越えた部分の刺激から興奮までの長い時間を要する過程を省略することができます。そのために，伝導速度は有髄神経の方が速くなります。
　電解質の水溶液中を電流が流れるのは，全く不思議ではないと思います。電解質とはそういうものなのですから。トコロテンでの説明は理解されなかったみたいですね。説明を変えたいと思います。今，伸び縮みしない長さ10メートルのひもをまっすぐにして，床に置いたとします。一方の端を1センチメートル引っ張ったらどうなりますか。同時に他端が1センチメートル動くはずです。ひもの任意の点の移動は1センチメートルなのに，動くというはたらきは10メートル伝わったことになります。同様に，荷電粒子のわずかな移動により，一瞬にして電流が流れるのではないでしょうか。一瞬とはいえ，光速の限界を超えることはできないと思いますが。
　それから，何が跳躍するのかということですが，活動電流と考えても良いし，興奮部位と考えてもいいと思います。それぞれの荷電粒子が，活動電流の流れる距離を移動する必要はないと思います。

この回答への補足

回答して頂いていてこう申し上げるのは恐縮ですが，電解質の中を電子が通ることはありません．もしかしたら，水の電気分解では水の中を電子が走っているとお考えではないでしょうか．どんなに電解質を濃くしても電子は電解質中を流れることはありません．例えば電極を電解質に二本入れて電圧をかけても，陰極から飛び出した電子が，陽極まで到達することはありませんよ．陰極から飛び出したら直ちに陽イオンと結合します．電解質中を移動しているのはイオンなんです．これは間違いありません．

「電解質」でwikiしてみるといいと思います．

補足日時：2010/01/07 19:04

No.6 回答者： wacky4 回答日時： 2009/12/30 15:28

　No.4の回答者です。

　電流の定義を知りたいのなら，別のカテゴリーで質問すればいいと思います。ところで，トコロテンを作っているところを見たことはありますか。四角い筒にトコロテンのかたまりを入れ，棒で押すと，先端のラケットの網のようなところからトコロテンが出てきます。電圧により電子はこのトコロテン方式で押し出されるわけで，電流の速さで電子が移動しているのではないと思います。
　また，活動電流が生じるときに押し出されるものは，荷電粒子であれば，電子と限定しなくてもいいようです。電流は電子の流れによって生じるという短絡的な考えでした。おわびします。
　それから数字が文字化けしていました。生物?＝生物Iです。

この回答への補足

wacky4様，

他の方への補足点の写しで恐縮ですが，同内容をお伝えしたいのでご容赦ください．下記を見て頂けますでしょうか．生物の教科書をみても分からないはずです．


質問の焦点は，

ある絞輪（これをA点としましょう）でナトリウムチャネルが開き、ナトリウムイオンが細胞内に流入しました。だからと言って、この後、お隣の絞輪（B点とします）で同様の現象が起こる理由はなんでしょうか。一体どんな作用がAからBに働いて、お隣でも脱分極が引起されるのでしょうか？　

AからBに何かが輸送されるか，何かしらの遠隔作用が働かないと
Bでは何も起こらないはずです．

大抵の生物の教科書やら何やらでは，「活動電流が流れる」などと，もっともらしいことを書いています．書いてる本人もしっかり内容を分かっているか，心配ですが，大抵の人がこれで納得してしまいます．しかし，その本質分かっているひとがどれ程いるでしょうか．本当に，電子が走っていると思っている人がいるかもしれません．いいですか，二本の電極をある電解質に入れます．この電極の間に電圧を加えても，「電解質中には」絶対に電子は流れません．流れるのはイオンです．

活動電流の正体は，イオンの流れのはずです．それ以外に電荷をもった輩が生体内にいるとは思えません．だとしたらです．なぜにイオンがA点からB点に移動するのですか？

これはおそらく簡単です．
A点のイオンチャネルが解放されて，脱分極したので，
A点の膜外電位は下がります（膜内電位は上がる：脱分極）．
でもB点はまだ脱分極していないので，膜外電位は高い．
するとイオンの移動が起こる？　のではないかと思われます．
生物の専門でないので分かりませんが，A点からB点への伝導は
良いかと思います．

しかしです．ここで跳躍伝導の話に戻りましょう．
A点とB点の間に絶縁体があるからと言って，なんでイオンの移動が速くなるのですか？　

これに合点がいかないのです・・・

補足日時：2010/01/06 15:14

No.5 回答者： suiran2 回答日時： 2009/12/30 12:32

ご質問の内容は、生物というよりむしろ物理ではないでしょうか。

「電流」の解釈が違うように思います。電流の伝播速度は光速に近いですが、自由電子やイオン等の荷電粒子が光速で移動しているわけではありません。荷電粒子の移動速度はとんでもなく遅いものです。半導体でも電子の移動速度はせいぜい毎秒何センチ程度です。

日本の教育で「電流とは電子の流れだ…」と教えることは大きな間違いです。これはとんでもない嘘を教えていることになります。私自身も電流とは何なのか分かりません。「電流とは電束の時間変化だ」どんなことなのかさっぱりです。物理カテで質問されることをお勧めします。

この回答への補足

いえいえ，絶対に生物の分野です．
電流の定義を聞いているのではありません．

質問の焦点は，

ある絞輪（これをA点としましょう）でナトリウムチャネルが開き、ナトリウムイオンが細胞内に流入しました。だからと言って、この後、お隣の絞輪（B点とします）で同様の現象が起こる理由はなんでしょうか。一体どんな作用がAからBに働いて、お隣でも脱分極が引起されるのでしょうか？　

AからBに何かが輸送されるか，何かしらの遠隔作用が働かないと
Bでは何も起こらないはずです．

大抵の生物の教科書やら何やらでは，「活動電流が流れる」などと，もっともらしいことを書いています．書いてる本人もしっかり内容を分かっているか，心配ですが，大抵の人がこれで納得してしまいます．しかし，その本質分かっているひとがどれ程いるでしょうか．本当に，電子が走っていると思っている人がいるかもしれません．いいですか，二本の電極をある電解質に入れます．この電極の間に電圧を加えても，「電解質中には」絶対に電子は流れません．流れるのはイオンです．

活動電流の正体は，イオンの流れのはずです．それ以外に電荷をもった輩が生体内にいるとは思えません．だとしたらです．なぜにイオンがA点からB点に移動するのですか？

これはおそらく簡単です．
A点のイオンチャネルが解放されて，脱分極したので，
A点の膜外電位は下がります（膜内電位は上がる：脱分極）．
でもB点はまだ脱分極していないので，膜外電位は高い．
するとイオンの移動が起こる？　のではないかと思われます．
生物の専門でないので分かりませんが，A点からB点への伝導は
良いかと思います．

しかしです．ここで跳躍伝導の話に戻りましょう．
A点とB点の間に絶縁体があるからと言って，なんでイオンの移動が速くなるのですか？　

これに合点がいかないのです・・・

補足日時：2010/01/06 14:53

No.4 回答者： wacky4 回答日時： 2009/12/30 05:15

　軸索では，興奮部位と静止部位の間を活動電流という微弱な電流が流れます。

これが静止部位を刺激して静止部位に活動電位を生じさせることで，興奮が伝導します。無髄神経では，興奮部位と隣接する静止部位との間で活動電流が流れますが，有髄神経では，絶縁体である髄鞘を飛び越えて離れた静止部位との間で活動電流が流れます。このことは，高校の生物?の教科書に書かれていますので，もう一度お確かめください。
　活動電流は，イオンの移動ではなく，電子の移動です。細胞膜の内外には電解質の水溶液がありますから，電位差が生じれば電流が流れます。
　跳躍伝導では，飛び越えた部分の脱分極にかかる時間を省略することができるので伝導速度が速くなるのです。

No.3 回答者： kaitara1 回答日時： 2009/12/30 01:07

自信はありませんがproton jumpingという現象も関係していないでしょうか。

No.2 回答者： ga111 回答日時： 2009/12/28 21:37

>一体どんな作用が働いて、お隣でも脱分極が引起されるのでしょうか？

電位依存性のイオンチャネルに拠るようです。

* 電位依存性 （voltage-dependent channel/voltage-gated channel）：膜電位に応じて開くもの。時定数の異なる複数のゲートを持ち、膜電位変化時に時間に依存した特定の開閉を行うチャネルも多い。http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%AA% …

＞なんでここで「電子」が登場するのか皆目分かりません。

電子というよりはイオンなどによって形成された膜電位の変化の状況は（＝脱分極）はたぶん、有髄神経で高速に伝達されるということかと思います。いちいち、無髄神経がすぐ隣のイオンチャネルを動かしていたら伝達が遅れるのは明らかのような気がします。http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%86%9C%E9%9B%BB% …

ここにおける伝達速度は電気回路のコンデンサ（膜電位）とかの動作原理を分子レベルで理解する必要があるかもしれませんが、私は分かりません。その分野で新たに質問することも考えられます。

No.1 回答者： ga111 回答日時： 2009/12/28 19:00

>有髄神経で跳躍しているのは一体何でしょうか。

脱分極部位です。脱分極部位は膜のイオンチャンネルによって形成されます。脱分極部位＝膜電位が本来の分極をしていない神経細胞のある特定部位。

http://www.keirinkan.com/kori/kori_biology/kori_ …

http://web2.chubu-gu.ac.jp/web_labo/mikami/brain …

この回答への補足

回答ありがとう御座います。
>>有髄神経で跳躍しているのは一体何でしょうか。
>脱分極部位です。

私の質問の仕方がいけませんでした。脱分極の箇所が、次から次へと
移動しているのはわかります。

脱分極部位が絞輪から絞輪へ移動するわけですが、一体何が”お隣の”脱分極をもたらしているのでしょうか？　
脱分極はナトリウムイオンの移動ですね。ならば、次のケースを想定してください。
ある絞輪でナトリウムチャネルが開き、ナトリウムイオンが細胞内に流入しました。だからと言って、この後、お隣の絞輪で同様の現象が起こる理由はなんでしょうか。一体どんな作用が働いて、お隣でも脱分極が引起されるのでしょうか？　これが私の質問の焦点です。「一体どんな作用」がある絞輪からお隣の絞輪に働いているのでしょうか？

頂いたリンクの言葉を抜粋しますと、
「跳躍伝導でくびれからくびれへとインパルスが伝わるときは、普通の電線を電気が伝わるときのように電子の移動で伝わり、くびれ部分でのみ神経線維の膜の中と外とのイオンの移動によってインパルスが発生します。」
とあります。なんでここで「電子」が登場するのか皆目分かりません。
どこにも電極も金属も自由電子もないです。電荷の移動を担うのはイオンしかないです。

うーん、何か私の解釈が間違っているのでしょうか？
神経関係の本で度々、電流が流れると記述されることがありますが、この電流の本質はイオンの移動ですよね・・・？　

補足日時：2009/12/28 20:15