生物電的哲學啟示

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

生物的器官、組織和細胞在生命活動過程中發(fā)生的電位和極性變化，稱為生物電現(xiàn)象。生物電的確認及其機理的闡明經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程。

1 生物電的發(fā)現(xiàn)

兩千多年前，人類就發(fā)現(xiàn)動物體帶電的事實，但沒有合理的解釋。1786年，意大利生理學家Galvani在家中的小院里做實驗發(fā)現(xiàn)，當他把剛解剖的青蛙腿部肌肉用銅鉤掛在鐵柵欄上時肌肉會猛烈收縮一次。經(jīng)過多次實驗，他認為這是動物體內(nèi)產(chǎn)生的電，即“動物電”。青蛙的神經(jīng)和肌肉帶有不同電荷，鐵柵欄和銅鉤充當導體接通神經(jīng)和肌肉，而生物電流通過此回路時刺激蛙腿肌肉收縮。1791年他發(fā)表了著作《論肌肉運動中的電效應》，公布了研究結(jié)果。意大利的物理學家Volta對動物電產(chǎn)生了濃厚的興趣，他重復了Galvani的實驗，并設(shè)法改變了一些實驗條件，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，實驗中若只用一種金屬，是無法使蛙腿肌肉收縮的。于是Volta認為，這不是生物電，而是兩種金屬屬性不同造成的。Galvani為證明自己的觀點經(jīng)過多次嘗試，于1794年設(shè)計了“無金屬收縮實驗”，將一個神經(jīng)肌肉標本的神經(jīng)的一部分搭在另一個肌肉標本的損傷處，則引起該神經(jīng)所支配的肌肉發(fā)生收縮，這一實驗出色地證明了“動物電”的存在，也開創(chuàng)了電生理學這一光輝的科學領(lǐng)域。

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

與此同時，一大批杰出學者做了大量的工作，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世紀中期，沒人懷疑生物體的帶電性了。

2 生物電的產(chǎn)生機理

圍繞生物電的產(chǎn)生機理，科學家們做了大量的工作。1879年，德國生物學家Hermann提出“變質(zhì)學說”，認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)部分對未變質(zhì)的部分來說，表現(xiàn)為負電性質(zhì)，因此產(chǎn)生電位差。

然而到了1902年，另一位德國學者Bernstein提出了與“變質(zhì)學說”相反的“薄膜學說”，認為在活的組織或細胞表面有一層很薄的“特殊臨界膜”，這層膜類似人工半透膜，并且上面帶有負電，因此它對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“薄膜學說”認為生物電現(xiàn)象與組織或細胞膜上的離子分布有很大的關(guān)系。顯然，如果生物電位確實預先存在于組織之中，而損傷僅僅是使它表現(xiàn)出來的話，則在損傷時，損傷電位應該立即表現(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，則它應該是隨著活組織變質(zhì)的程度變化而逐漸地產(chǎn)生。這個問題成為當時論證的焦點。為了證明自己的理論，Bernstein在1904年利用毛細管靜電計進行了實驗，結(jié)果證實生物電位是預先存在的。至此，薄膜學說的地位似乎確立了。

然而到了20世紀30年代末，英國的Hodgkin與Huxley利用微電極技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一種“薄膜學說”不能解釋的現(xiàn)象，即當神經(jīng)纖維受到刺激時所產(chǎn)生的動作電位數(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間內(nèi)倒轉(zhuǎn)了，這顯然是不符合Bernstein的“薄膜學說”。薄膜學說受到動搖。

但是很快地，Hodgkin等人1949年又以雄辯的實驗事實證明并發(fā)展了“薄膜學說”。他們認為，興奮時膜的通透性較靜息時大，由于膜外的Na+濃度比膜內(nèi)高得多，就可能導致Na+進入膜內(nèi)，從而使膜電位翻轉(zhuǎn)。這就是現(xiàn)在稱之為“鈉離子學說”的理論。

3 生物電引發(fā)的哲學思考

3.1 科學研究與發(fā)現(xiàn)是一個不斷通過否定而實現(xiàn)發(fā)展的過程

無論生物電的發(fā)現(xiàn)還是機理闡明過程都充分證明了科學研究與發(fā)現(xiàn)是一個辯證否定的過程。在Galvani發(fā)現(xiàn)生物電的整個實驗過程中，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，實驗中若只用一種金屬，是無法使蛙腿肌肉產(chǎn)生收縮的。于是Volta認為，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人造電源——“伏打電池”。第二次否定:Galvani通過巧妙的設(shè)計實驗，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)學說”理論。但Hodgkin與Huxley發(fā)現(xiàn)了“膜學說”無法解釋動作電位時電位的倒轉(zhuǎn)，幾乎否定了“薄膜論”。然而，Hodgkin等人通過大量實驗又以雄辯的實驗事實證明并發(fā)展了“薄膜學說”，并在此基礎(chǔ)上提出了“鈉離子學說”，即膜對鈉通透性瞬間增大并遠遠超過了對鉀的通透性形成動作電位。這種關(guān)于生物電理論的從“變質(zhì)學說”到“薄膜學說”再到“鈉離子學說”的不斷闡述與建構(gòu)，本身也是一個辯證否定過程。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程，通過這樣的曲折過程，不斷地實現(xiàn)“揚棄”，從而使事物呈現(xiàn)螺旋式地向前發(fā)展與完善。

3.2 理論指導實踐，但是實踐的進步也會極大地促進理論研究的深入

在現(xiàn)代科學發(fā)展中，新技術(shù)的出現(xiàn)是打破科學處于停滯狀態(tài)、使之躍入一個新的發(fā)展階段的巨大動力。以生物電研究來說，新技術(shù)的出現(xiàn)開創(chuàng)了生物電研究的新領(lǐng)域。在生物電的發(fā)現(xiàn)及機理闡明過程中，多項新技術(shù)的應用極大的推進了研究進程。意大利物理學家Nobili發(fā)明了電流計，從而使Matteucci C第一次直接測量到了生物電，更雄辯的證明了生物電的存在。Hodgkin和Huxley的細胞內(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說的新時期并創(chuàng)立了現(xiàn)代膜學說，這種細胞膜內(nèi)記錄技術(shù)的建立使電生理學研究進入了一個新的發(fā)展階段。20世紀50年代，電壓鉗技術(shù)得到發(fā)展，使電生理學研究獲得了巨大的進步。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入了一個輝煌的時期。應用膜片鉗技術(shù)能夠觀察離子運動中單一通道的動態(tài)變化過程，為在分子水平上了解離子跨膜運動提供了直接的證明。隨著生物學技術(shù)的快速發(fā)展和與膜片鉗技術(shù)的有機結(jié)合，離子通道的研究已經(jīng)取得了令人矚目的進展。這一切都給當代細胞生物學研究帶來了誘人的前景和巨大的前進動力。