田 晶，管蘭芳，王 勇 (吉林醫(yī)藥學(xué)院:.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，.人文社科部，吉林 吉林 303)

生物的器官、組織和細(xì)胞在生命活動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的電位和極性變化，稱(chēng)為生物電現(xiàn)象。生物電的確認(rèn)及其機(jī)理的闡明經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。

1 生物電的發(fā)現(xiàn)

兩千多年前，人類(lèi)就發(fā)現(xiàn)動(dòng)物體帶電的事實(shí)，但沒(méi)有合理的解釋。1786年，意大利生理學(xué)家Galvani在家中的小院里做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他把剛解剖的青蛙腿部肌肉用銅鉤掛在鐵柵欄上時(shí)肌肉會(huì)猛烈收縮一次。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為這是動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的電，即“動(dòng)物電”。青蛙的神經(jīng)和肌肉帶有不同電荷，鐵柵欄和銅鉤充當(dāng)導(dǎo)體接通神經(jīng)和肌肉，而生物電流通過(guò)此回路時(shí)刺激蛙腿肌肉收縮。1791年他發(fā)表了著作《論肌肉運(yùn)動(dòng)中的電效應(yīng)》，公布了研究結(jié)果。意大利的物理學(xué)家Volta對(duì)動(dòng)物電產(chǎn)生了濃厚的興趣，他重復(fù)了Galvani的實(shí)驗(yàn)，并設(shè)法改變了一些實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)按照Galvani的方法，要產(chǎn)生肌肉收縮，一定要使用二種不同的金屬，實(shí)驗(yàn)中若只用一種金屬，是無(wú)法使蛙腿肌肉收縮的。于是Volta認(rèn)為，這不是生物電，而是兩種金屬屬性不同造成的。Galvani為證明自己的觀點(diǎn)經(jīng)過(guò)多次嘗試，于1794年設(shè)計(jì)了“無(wú)金屬收縮實(shí)驗(yàn)”，將一個(gè)神經(jīng)肌肉標(biāo)本的神經(jīng)的一部分搭在另一個(gè)肌肉標(biāo)本的損傷處，則引起該神經(jīng)所支配的肌肉發(fā)生收縮，這一實(shí)驗(yàn)出色地證明了“動(dòng)物電”的存在，也開(kāi)創(chuàng)了電生理學(xué)這一光輝的科學(xué)領(lǐng)域。

1837年意大利物理學(xué)教授Matteucci C用Nobili發(fā)明的電流計(jì)在肌肉的橫斷面與未損傷部位之間測(cè)到電流流動(dòng)，電流是從未損傷部位流向橫斷面的，所以橫斷面呈負(fù)電位。這是第一次直接測(cè)量到生物體內(nèi)存在生物電的實(shí)驗(yàn)。

與此同時(shí)，一大批杰出學(xué)者做了大量的工作，結(jié)果都證明肌肉、神經(jīng)、甚至感官(眼球)上都有生物電的存在。到19世紀(jì)中期，沒(méi)人懷疑生物體的帶電性了。

2 生物電的產(chǎn)生機(jī)理

圍繞生物電的產(chǎn)生機(jī)理，科學(xué)家們做了大量的工作。1879年，德國(guó)生物學(xué)家Hermann提出“變質(zhì)學(xué)說(shuō)”，認(rèn)為生物組織可以由于受到損傷或刺激而發(fā)生局部的變質(zhì)，變質(zhì)部分對(duì)未變質(zhì)的部分來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)為負(fù)電性質(zhì)，因此產(chǎn)生電位差。

然而到了1902年，另一位德國(guó)學(xué)者Bernstein提出了與“變質(zhì)學(xué)說(shuō)”相反的“薄膜學(xué)說(shuō)”，認(rèn)為在活的組織或細(xì)胞表面有一層很薄的“特殊臨界膜”，這層膜類(lèi)似人工半透膜，并且上面帶有負(fù)電，因此它對(duì)不同大小和帶有不同電荷的離子具有選擇性的通透性。另外“薄膜學(xué)說(shuō)”認(rèn)為生物電現(xiàn)象與組織或細(xì)胞膜上的離子分布有很大的關(guān)系。顯然，如果生物電位確實(shí)預(yù)先存在于組織之中，而損傷僅僅是使它表現(xiàn)出來(lái)的話，則在損傷時(shí)，損傷電位應(yīng)該立即表現(xiàn)出它的最大值。相反，如果電位是由于活組織變質(zhì)而發(fā)展起來(lái)，則它應(yīng)該是隨著活組織變質(zhì)的程度變化而逐漸地產(chǎn)生。這個(gè)問(wèn)題成為當(dāng)時(shí)論證的焦點(diǎn)。為了證明自己的理論，Bernstein在1904年利用毛細(xì)管靜電計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)生物電位是預(yù)先存在的。至此，薄膜學(xué)說(shuō)的地位似乎確立了。

然而到了20世紀(jì)30年代末，英國(guó)的Hodgkin與Huxley利用微電極技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一種“薄膜學(xué)說(shuō)”不能解釋的現(xiàn)象，即當(dāng)神經(jīng)纖維受到刺激時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)作電位數(shù)值幾乎比該纖維的靜息電位大一倍，膜電位的方向在短時(shí)間內(nèi)倒轉(zhuǎn)了，這顯然是不符合Bernstein的“薄膜學(xué)說(shuō)”。薄膜學(xué)說(shuō)受到動(dòng)搖。

但是很快地，Hodgkin等人1949年又以雄辯的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明并發(fā)展了“薄膜學(xué)說(shuō)”。他們認(rèn)為，興奮時(shí)膜的通透性較靜息時(shí)大，由于膜外的Na+濃度比膜內(nèi)高得多，就可能導(dǎo)致Na+進(jìn)入膜內(nèi)，從而使膜電位翻轉(zhuǎn)。這就是現(xiàn)在稱(chēng)之為“鈉離子學(xué)說(shuō)”的理論。

3 生物電引發(fā)的哲學(xué)思考

3.1 科學(xué)研究與發(fā)現(xiàn)是一個(gè)不斷通過(guò)否定而實(shí)現(xiàn)發(fā)展的過(guò)程

無(wú)論生物電的發(fā)現(xiàn)還是機(jī)理闡明過(guò)程都充分證明了科學(xué)研究與發(fā)現(xiàn)是一個(gè)辯證否定的過(guò)程。在Galvani發(fā)現(xiàn)生物電的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)歷了兩次否定。第一次否定:Volta發(fā)現(xiàn)按照Galvani的方法，要產(chǎn)生肌肉收縮，一定要使用兩種不同的金屬，實(shí)驗(yàn)中若只用一種金屬，是無(wú)法使蛙腿肌肉產(chǎn)生收縮的。于是Volta認(rèn)為，這不是生物電，而是兩種金屬屬性不同造成的。由此，還發(fā)明了歷史上的第一個(gè)人造電源——“伏打電池”。第二次否定:Galvani通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，否定了Volta的結(jié)論，證明了生物電的存在。Galvani證明生物電存在后，Bernstein提出了“薄膜膜論”，否定了Hermann的“變質(zhì)學(xué)說(shuō)”理論。但Hodgkin與Huxley發(fā)現(xiàn)了“膜學(xué)說(shuō)”無(wú)法解釋動(dòng)作電位時(shí)電位的倒轉(zhuǎn)，幾乎否定了“薄膜論”。然而，Hodgkin等人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)又以雄辯的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明并發(fā)展了“薄膜學(xué)說(shuō)”，并在此基礎(chǔ)上提出了“鈉離子學(xué)說(shuō)”，即膜對(duì)鈉通透性瞬間增大并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了對(duì)鉀的通透性形成動(dòng)作電位。這種關(guān)于生物電理論的從“變質(zhì)學(xué)說(shuō)”到“薄膜學(xué)說(shuō)”再到“鈉離子學(xué)說(shuō)”的不斷闡述與建構(gòu)，本身也是一個(gè)辯證否定過(guò)程。辯證否定觀告訴我們，事物的發(fā)展總是要經(jīng)歷肯定、否定再到否定之否定的過(guò)程，通過(guò)這樣的曲折過(guò)程，不斷地實(shí)現(xiàn)“揚(yáng)棄”，從而使事物呈現(xiàn)螺旋式地向前發(fā)展與完善。

3.2 理論指導(dǎo)實(shí)踐，但是實(shí)踐的進(jìn)步也會(huì)極大地促進(jìn)理論研究的深入

在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中，新技術(shù)的出現(xiàn)是打破科學(xué)處于停滯狀態(tài)、使之躍入一個(gè)新的發(fā)展階段的巨大動(dòng)力。以生物電研究來(lái)說(shuō)，新技術(shù)的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了生物電研究的新領(lǐng)域。在生物電的發(fā)現(xiàn)及機(jī)理闡明過(guò)程中，多項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用極大的推進(jìn)了研究進(jìn)程。意大利物理學(xué)家Nobili發(fā)明了電流計(jì)，從而使Matteucci C第一次直接測(cè)量到了生物電，更雄辯的證明了生物電的存在。Hodgkin和Huxley的細(xì)胞內(nèi)微電極記錄技術(shù)使電生理由觀察電現(xiàn)象階段躍入了研究膜學(xué)說(shuō)的新時(shí)期并創(chuàng)立了現(xiàn)代膜學(xué)說(shuō)，這種細(xì)胞膜內(nèi)記錄技術(shù)的建立使電生理學(xué)研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。20世紀(jì)50年代，電壓鉗技術(shù)得到發(fā)展，使電生理學(xué)研究獲得了巨大的進(jìn)步。1976年Neher和Sakman率先使用的膜片鉗技術(shù)使停滯多年的電生理進(jìn)入了一個(gè)輝煌的時(shí)期。應(yīng)用膜片鉗技術(shù)能夠觀察離子運(yùn)動(dòng)中單一通道的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為在分子水平上了解離子跨膜運(yùn)動(dòng)提供了直接的證明。隨著生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和與膜片鉗技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，離子通道的研究已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展。這一切都給當(dāng)代細(xì)胞生物學(xué)研究帶來(lái)了誘人的前景和巨大的前進(jìn)動(dòng)力。