基于批判性思维对沃泰默实验的再思考

余中宾

(安徽省淮南第一中学)

批判性思维是以质疑为起点,使用恰当的评价进行判断,并客观地对获取的证据进行有效分析、科学推理的过程,从而获得具有说服力、创造性的结论。批判性思维批判的对象不是某个人,而是对一个观点背后思考的过程,即审视和分析思考的缜密性、严谨性和系统性,其典型特征包括仔细考虑每一个观点的深度和广度而不轻易下结论、客观对待事实证据的优缺点、具有强烈的自我反思的取向和不断试错的科学精神。

1.回顾沃泰默实验背景,夯实批判性思维的知识基础

19世纪沃泰默实验的存在的背景与俄国著名的生理学家巴甫洛夫有紧密联系。巴普洛夫和他的学生们研究的方向是“消化系统是如何工作的”,并在消化系统的神经调节方面做了大量的研究工作,证实了胃液的产生是由第十对脑神经的迷走神经(属于副交感神经)引起的,证据是如果切断狗大脑与胃部之间的神经联系,则狗在进食时不分泌胃液;不给狗进食,如果刺激狗的迷走神经,胃液产生。此外,巴甫洛夫强调,只要让狗意识到食物(比如教材中提到喂食时铃声刺激的“假饲”实验)的存在,脑会通过迷走神经使胃腺分泌胃液,即典型的条件反射。

19世纪中期,法国生理学家克劳德·伯尔纳发现了酸性食物进入小肠并引起胰腺分泌胰液,但是受限于当时实验手段和方法,伯尔纳没有深入研究。半个世纪后,依据巴甫洛夫神经反射原理,巴甫洛夫的实验室认为胰腺分泌胰液是神经调节,并通过刺激迷走神经和内脏大神经引起胰液的分泌来证实:根据反射的特点,破坏反射弧的结构会影响反射的发生,从而抑制胰液的分泌。1896年,巴甫洛夫的学生帕皮尔斯基深入研究盐酸引起胰液分泌的神经调节机制,先后通过切断双侧迷走神经和双侧内脏大神经、甚至切除太阳神经丛、毁坏脊髓、直至切除胃的幽门部,盐酸仍能引起胰液分泌。越靠近胃的幽门部,盐酸刺激小肠后引起胰液分泌的越明显。基于神经调节的考量,帕皮尔斯基于1901年得出结论,认为这是个连接十二指肠黏膜和胰腺的腺泡细胞的反射弧引发的局部短反射,甚至认为胃的幽门部可能存在着一个导致胰液分泌的“外周反射中枢”。

2.再现沃泰默实验过程,进行批判性思维的质疑反思

沃泰默是法国学者,1901-1902年之间进行了类似的盐酸引起胰液分泌机制的研究。他创新了操作思路,将盐酸注入狗的血液里进行实验,详细如下:

第一组:把稀盐酸注入狗的上段小肠肠腔内,引发胰腺分泌胰液。

第二组:直接将稀盐酸注入狗的血液中,不会引发胰腺分泌胰液。

第三组:切除通向该段小肠的神经,只留下血管,再向小肠注入稀盐酸时,仍能促进胰液分泌。

第一、二组看,稀盐酸作用的部位是上段小肠,而不是血液,说明盐酸随着血液循环作用于胰腺,但不直接导致胰腺分泌胰液,为后来斯他林和贝利斯的研究提供了非常好的思路,推测盐酸刺激小肠产生的某种化学物质随血液作用于胰腺。

第一、三组看,自变量是神经系统是否完整,推测结论为胰液的分泌不受神经调节。实际操作中,沃泰默使用药物(阿托品)阻断副交感神经作用,或者切除游离小肠的全部神经,只保留血管,胰腺仍分泌胰液。

沃泰默的解释是小肠神经微小,难以剔除干净,是一个十分顽固的神经反射。这个解释明显受当时主流思想的影响,得出了与帕皮尔斯基相似的说法。沃泰默与激素调节的发现失之交臂,但是有几点值得反思。

第一、沃泰默的实验目的是什么?神经系统和神经调节本身是复杂的,沃泰默可能是为了研究稀盐酸刺激小肠引起胰腺分泌胰液的神经调节机制。因为沃泰默研究的指导理念没有跳出神经调节的范畴,而完全忽略神经调节以外的其他调节方式的可能,所以沃泰默没有补充排除血液中化学物质的实验:切除通往小肠的血管,保留神经后,再将稀盐酸注入上段小肠,观察胰腺是否分泌胰液。因此,沃泰默的实验方案更适合研究非神经调节方式调控胰腺分泌胰液的过程,为斯他林和贝利斯带来了启发。

第二、神经调节与化学物质调节对立的研究观念。与沃泰默的只有神经调节的观念相反,在斯他林和贝利斯研究假设中否认胰液的分泌是神经调节的反射活动,而是盐酸刺激小肠黏膜产生的化学物质进行调节的。受到沃泰默实验的启发,二人创新实验:将剪下的小肠刮下小肠黏膜与盐酸混合后研磨,研磨液注入静脉。这样的实验操作完全排除了“顽固神经”的作用,说明该过程完全是某种化学物质单独起作用。因此,斯他林和贝利斯挣脱流行观点的束缚,批判性看待客观事实现象,创造性的发现了新的生命活动的调节机制——激素调节。1902年发表的关于促胰液素的论文完全颠覆巴甫洛夫长期秉持的“消化腺分泌完全由神经调节”的理论,这使巴甫洛夫本人惊讶不已。但是,斯他林和贝利斯实验只是证明了激素调节的存在,并没有排除神经调节的作用,没有研究存在的神经调节。

第三、促进胰液分泌的不是只有激素。现代生理学研究发现,食物的色、香、味、形及对胃肠等各消化道的刺激,可通过支配胰腺的神经(迷走神经和内脏神经),进行条件反射和非条件反射引起胰液分泌。进食时,胰液的分泌受神经和体液双重调节,但是以体液调节为主。引发胰液分泌的激素除促胰液素外,还有缩胆囊素、促胃液素等(盐酸、蛋白质的分解产物、脂肪酸和迷走神经的兴奋都能促进小肠分泌促胰液素)(图1)。斯他林和贝利斯创造性的用稀盐酸和离体小肠的黏膜混合研磨进行实验,排除了除稀盐酸以外其他化学物质和神经的影响。神经系统的分布和调节机制是复杂的,对刚进入20世纪的科学家来讲,研究方法和技术有限,刺激神经后胰液分泌的实验比在动物体内切断神经、排除神经干扰做出的实验要简便、有效得多。

第四、胰液是一种混合物,促胰液素是促进哪种成分的分泌导致胰液分泌增强?胰液里含有大量的无机盐和各种消化酶。促胰液素作用于胰腺导管的上皮细胞,使导管分泌大量的水与碳酸氢盐,导致胰液分泌量提升(图1),从而使分泌胰液的实验现象非常明显。

图1 胰液分泌的神经-体液调节

3.依据沃泰默实验尝试改编试题,巩固批判性思维能力

肯定斯他林和贝利斯成就的同时,也不能完全否认沃泰默实验的价值。沃泰默实验中切断神经,将盐酸注入血液等做法为如何研究神经调节、激素调节提供了思路和方法;对沃泰默实验过程的分析,有利于对设计实验中控制变量的理解和把握,进一步感受斯他林和贝利斯实验的巧妙之处,激活对激素调节的概念理解;切断神经的做法,强化了神经调节的结构基础——反射弧的完整性对神经调节的意义,有利于理解神经调节过程,并反思神经调节和激素调节之间关系,是学习神经-体液调节实例的基础。

改编题1:下列有关促胰液素的发现过程及其作用的叙述,不正确的是

( )

A.沃泰默的实验假设是胃酸刺激小肠的神经,神经将兴奋传递给胰腺,使胰腺分泌胰液

B.沃泰默实验中将盐酸直接注射到血液中的操作,排除盐酸直接作用于胰腺导致分泌胰液

C.在促胰液素的发现过程中,胰腺分泌胰液受某种化学物质的调节,但不能排除神经调节的作用

D.促胰液素是人们发现的由胰腺分泌的第一种激素,它的发现使人们认识到激素调节的存在

改编题2:现代生理实验证明胰液的分泌受神经-体液调节,过程如图2。根据图示,回答下列问题:

图2

(1)图中传出神经属于自主神经系统的________(填“交感神经”或“副交感神经”),神经中枢所在的反射弧的效应器是________。

(2)图中反映出胃酸刺激________分泌促胰液素,通过体液运输,作用于胰腺。除了促胰液素受体,胰腺细胞接受调节信号分子的受体至少还有________,这些信号分子都能促进胰腺分泌胰液。

(3)酸性食糜进入小肠,引起胰腺分泌胰液。尝试通过用小鼠设计实验证明引起胰液分泌的刺激因素是胃酸而不是食糜,请写出大致的实验思路及现象。

(4)最近,科学家从小肠分离出一种多肽——CKK释放肽,进食后,在蛋白质的消化产物作用下,CKK释放肽会引起胆囊收缩素释放和胰蛋白酶分泌增加;而分泌的胰蛋白酶又可使CKK释放肽水解,胆囊收缩素和胰蛋白酶分泌减少,这种调节机制是________调节,此种调节是生命系统中非常普遍的调节机制,它对于________具有重要意义。

改编题1答案:D

改编题2参考答案:(1)副交感神经 传出神经末梢及其支配的胰腺 (2)小肠黏膜(细胞) 神经递质受体 (3)用等量稀盐酸和无酸性食糜分别注入两组小鼠的上段小肠肠腔,比较两组的小鼠胰腺分泌情况,稀盐酸处理的小鼠分泌的胰液量明显多于无酸性食糜处理的小鼠 (4)(负)反馈 机体维持稳态

总之,对生命现象的科学假说是通过已知的生物学原理和生物概念推理而来,能够解释其他相关生物学现象,并被实验支持或反驳的。批判性思维能客观进行质疑、推理,审视证据的有效性,突破固有观念的束缚,进行实验的创新,从而使一代代科学家坚持真理,敢于挑战权威,对科学发现和科学进步具有重大的促进作用。辩证地看待沃泰默实验,积极、客观的进行评析,在质疑的同时,也培养批判性思维能力。