測量人的體溫毫不費力：例如，將體溫計放在他們的舌頭下，然後觀察讀數攀升到華氏 98 度左右。但這個單一的數字實際上是人體內大約 30 萬億個細胞各自產生熱量的結果。熱量的分散設定了整體體溫，不同型別的細胞對其貢獻程度各不相同。
為了真正瞭解生物如何調節其身體的溫度，研究人員必須關注單個細胞。但即使在過去十年中，科學家近距離窺探分子相互作用的能力得到了極大的提高，他們仍然難以開發出能夠從內部準確測量細胞熱特性的工具。
現在，一項新的研究填補了關鍵的知識空白。研究人員首次測量了人體細胞內部的熱導率——熱量傳導的速率。在一篇週五發表在科學進展上的論文中，科學家們使用微小的金剛石基感測器，這些感測器同時釋放和測量熱量，以證明熱量在細胞中的消散速度比他們之前認為的要慢得多。“這對於我們和該領域的其他人來說都非常令人驚訝，”日本大阪大學的生物物理學家兼該論文的合著者鈴木円（Madoka Suzuki）說。由於細胞中的液體是水基的，科學家們普遍認為它像水一樣傳遞熱量。但實際上，熱量在細胞中的消散速度大約慢五倍——這種速度更類似於熱量在油中的消散方式。鈴木說，直到現在，“沒有人知道活細胞的這種基本特性”。“沒有這個值，我們就無法模擬細胞溫度的變化。”
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哈佛大學物理學家 米哈伊爾·盧金 說：“這些是需要更好理解的有趣結果，”他開發了用於探測細胞內溫度的感測器，但沒有參與這個專案。“如果它們成立，那將非常重要。”
這些發現可能有助於解決生物學家感到困惑的關於細胞溫度的一個主要謎團：高度區域性化的熱峰的存在。科學家們報告稱，在細胞內不同位置之間存在幾華氏度的瞬時差異，人類細胞的空間直徑範圍約為 5 到 120 微米。（介於塵蟎糞便團塊的寬度和實際塵蟎的寬度之間。）一項 2018 年的研究甚至聲稱，線粒體（細胞的藥丸狀能量泵）在高達華氏 122 度的溫度下執行。
細胞可以容納如此大的溫度梯度的想法令人驚訝，因為在如此微小的空間中，熱量的急劇升高應該很快消散。但葡萄牙阿威羅大學的奈米科學家路易斯·卡洛斯說，這些報告令人信服，他研究細胞內測溫學，但沒有參與這項新研究。“我認為過去五年的實驗結果一直指出細胞記憶體在溫度波動。”
在新工作中，鈴木和他的同事們在盧金首次開發的技術基礎上，建立了一種熒光奈米金剛石感測器，該感測器塗有釋放熱量的聚合物。區域性溫度變化會稍微擴大奈米金剛石中的缺陷，從而改變雷射照射時其熒光發光的程度。盧金說，由於金剛石非常惰性，因此該方法比其他型別的探針穩定得多。
鈴木說，新工作中確定的熱導率可以解釋幾華氏度的較小熱峰，但不能解釋線粒體中的巨大熱浪。他推測，它們可能充當細胞內先前未被識別的訊號系統。例如，熱量的增加可能會告訴蛋白質摺疊或展開、驅動某些酶促反應或向調節肌肉中鈣水平的通道提供反饋。
鈴木和盧金都認為，仍然需要更多的研究來確定這些梯度是否真的存在，如果存在，它們是如何產生的。“人們對這個懸而未決的問題感到非常困惑，而且必須解決它，”盧金說。“事實上，這種新工具可以回答這個生物學問題——我認為這真的是新的。”