生物电的哲学启示

田 晶，管兰芳，王 勇 (吉林医药学院:.基础医学院，.人文社科部，吉林 吉林 303)

生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化，称为生物电现象。生物电的确认及其机理的阐明经历了一个漫长的发展过程。

1 生物电的发现

两千多年前，人类就发现动物体带电的事实，但没有合理的解释。1786年，意大利生理学家Galvani在家中的小院里做实验发现，当他把刚解剖的青蛙腿部肌肉用铜钩挂在铁栅栏上时肌肉会猛烈收缩一次。经过多次实验，他认为这是动物体内产生的电，即“动物电”。青蛙的神经和肌肉带有不同电荷，铁栅栏和铜钩充当导体接通神经和肌肉，而生物电流通过此回路时刺激蛙腿肌肉收缩。1791年他发表了著作《论肌肉运动中的电效应》，公布了研究结果。意大利的物理学家Volta对动物电产生了浓厚的兴趣，他重复了Galvani的实验，并设法改变了一些实验条件，结果发现按照Galvani的方法，要产生肌肉收缩，一定要使用二种不同的金属，实验中若只用一种金属，是无法使蛙腿肌肉收缩的。于是Volta认为，这不是生物电，而是两种金属属性不同造成的。Galvani为证明自己的观点经过多次尝试，于1794年设计了“无金属收缩实验”，将一个神经肌肉标本的神经的一部分搭在另一个肌肉标本的损伤处，则引起该神经所支配的肌肉发生收缩，这一实验出色地证明了“动物电”的存在，也开创了电生理学这一光辉的科学领域。

1837年意大利物理学教授Matteucci C用Nobili发明的电流计在肌肉的横断面与未损伤部位之间测到电流流动，电流是从未损伤部位流向横断面的，所以横断面呈负电位。这是第一次直接测量到生物体内存在生物电的实验。

与此同时，一大批杰出学者做了大量的工作，结果都证明肌肉、神经、甚至感官(眼球)上都有生物电的存在。到19世纪中期，没人怀疑生物体的带电性了。

2 生物电的产生机理

围绕生物电的产生机理，科学家们做了大量的工作。1879年，德国生物学家Hermann提出“变质学说”，认为生物组织可以由于受到损伤或刺激而发生局部的变质，变质部分对未变质的部分来说，表现为负电性质，因此产生电位差。

然而到了1902年，另一位德国学者Bernstein提出了与“变质学说”相反的“薄膜学说”，认为在活的组织或细胞表面有一层很薄的“特殊临界膜”，这层膜类似人工半透膜，并且上面带有负电，因此它对不同大小和带有不同电荷的离子具有选择性的通透性。另外“薄膜学说”认为生物电现象与组织或细胞膜上的离子分布有很大的关系。显然，如果生物电位确实预先存在于组织之中，而损伤仅仅是使它表现出来的话，则在损伤时，损伤电位应该立即表现出它的最大值。相反，如果电位是由于活组织变质而发展起来，则它应该是随着活组织变质的程度变化而逐渐地产生。这个问题成为当时论证的焦点。为了证明自己的理论，Bernstein在1904年利用毛细管静电计进行了实验，结果证实生物电位是预先存在的。至此，薄膜学说的地位似乎确立了。

然而到了20世纪30年代末，英国的Hodgkin与Huxley利用微电极技术，发现了一种“薄膜学说”不能解释的现象，即当神经纤维受到刺激时所产生的动作电位数值几乎比该纤维的静息电位大一倍，膜电位的方向在短时间内倒转了，这显然是不符合Bernstein的“薄膜学说”。薄膜学说受到动摇。

但是很快地，Hodgkin等人1949年又以雄辩的实验事实证明并发展了“薄膜学说”。他们认为，兴奋时膜的通透性较静息时大，由于膜外的Na+浓度比膜内高得多，就可能导致Na+进入膜内，从而使膜电位翻转。这就是现在称之为“钠离子学说”的理论。

3 生物电引发的哲学思考

3.1 科学研究与发现是一个不断通过否定而实现发展的过程

无论生物电的发现还是机理阐明过程都充分证明了科学研究与发现是一个辩证否定的过程。在Galvani发现生物电的整个实验过程中，经历了两次否定。第一次否定:Volta发现按照Galvani的方法，要产生肌肉收缩，一定要使用两种不同的金属，实验中若只用一种金属，是无法使蛙腿肌肉产生收缩的。于是Volta认为，这不是生物电，而是两种金属属性不同造成的。由此，还发明了历史上的第一个人造电源——“伏打电池”。第二次否定:Galvani通过巧妙的设计实验，否定了Volta的结论，证明了生物电的存在。Galvani证明生物电存在后，Bernstein提出了“薄膜膜论”，否定了Hermann的“变质学说”理论。但Hodgkin与Huxley发现了“膜学说”无法解释动作电位时电位的倒转，几乎否定了“薄膜论”。然而，Hodgkin等人通过大量实验又以雄辩的实验事实证明并发展了“薄膜学说”，并在此基础上提出了“钠离子学说”，即膜对钠通透性瞬间增大并远远超过了对钾的通透性形成动作电位。这种关于生物电理论的从“变质学说”到“薄膜学说”再到“钠离子学说”的不断阐述与建构，本身也是一个辩证否定过程。辩证否定观告诉我们，事物的发展总是要经历肯定、否定再到否定之否定的过程，通过这样的曲折过程，不断地实现“扬弃”，从而使事物呈现螺旋式地向前发展与完善。

3.2 理论指导实践，但是实践的进步也会极大地促进理论研究的深入

在现代科学发展中，新技术的出现是打破科学处于停滞状态、使之跃入一个新的发展阶段的巨大动力。以生物电研究来说，新技术的出现开创了生物电研究的新领域。在生物电的发现及机理阐明过程中，多项新技术的应用极大的推进了研究进程。意大利物理学家Nobili发明了电流计，从而使Matteucci C第一次直接测量到了生物电，更雄辩的证明了生物电的存在。Hodgkin和Huxley的细胞内微电极记录技术使电生理由观察电现象阶段跃入了研究膜学说的新时期并创立了现代膜学说，这种细胞膜内记录技术的建立使电生理学研究进入了一个新的发展阶段。20世纪50年代，电压钳技术得到发展，使电生理学研究获得了巨大的进步。1976年Neher和Sakman率先使用的膜片钳技术使停滞多年的电生理进入了一个辉煌的时期。应用膜片钳技术能够观察离子运动中单一通道的动态变化过程，为在分子水平上了解离子跨膜运动提供了直接的证明。随着生物学技术的快速发展和与膜片钳技术的有机结合，离子通道的研究已经取得了令人瞩目的进展。这一切都给当代细胞生物学研究带来了诱人的前景和巨大的前进动力。