膜片钳——打开细胞奥秘的钥匙（上）

　　俗话说：“没有金刚钻，不揽瓷器活。”创造和使用工具，是人类独有的能力。有的工具塑造了我们的文化，比如筷子；有的工具繁荣了我们的经济，比如计算机；还有的工具，用四个字概括就可以了——没它不行。

　　膜片钳，就是这样一种“没它不行”的工具。

　　（膜片钳系统，图片来源： merc.ac.cn ）

　　灵气

　　18世纪末，学者们已经积累了很多的生理知识。他们知道人体是由细胞组成的，而细胞有不同的类型，每一种类型的细胞，都有着自己独特的功能。那么，这些细胞是如何组成人体的呢？把一堆细胞倒入木桶，肯定长不出格鲁特，是吧？

　　（《银河护卫队2》里的格鲁特，图片来源：douban . com）

　　换句话说，神经细胞究竟是如何控制肌肉的？

　　当时流行的理论，是“灵气说”。“灵气说”来源于“灵魂说”，二者实质上是一样的，都认为动物内存在一种特殊的能量。有了它，生命才能出现；没有它，再多细胞也不过是一堆腐肉。

　　争论

　　真相，是由一次争论引发的。

　　意大利的医生伽伐尼（Luigi G alvani）在一次实验中，偶然发现，金属剪刀接触青蛙腿，可以产生电火花，同时，蛙腿会抽搐。他用多种金属反复实验，结果发现，只要用两种不同的金属接触蛙腿，就能产生电流、引起蛙腿抽搐。

　　据此，伽伐尼认为在动物体内，存在一种特殊的电流。这种电流，就是之前人们苦苦寻找的“灵气”，他称之为“生物电”。当金属接触动物细胞时，电荷被转移到金属上，因此，两种金属互相接触，就会产生电流。

　　（伽伐尼，图片来源： wikipedia.org ）

　　伽伐尼的实验，传到了物理学家伏打（ Alessandro Volta ）的耳朵里，引起了伏打的极大兴趣。伏打重复了伽伐尼的实验，提出了另一种解释：在电解液中，两种不同的金属，可以产生电流；这种电流，会引起肌肉细胞的收缩。也就是说，并不是“生物电”改变了金属，而是金属产生的电流改变了细胞。

　　（伏打，图片来源： wikipedia.org ）

　　为了验证自己的学说，伏打用金属和电解液制造了人类历史上第一种电化学电池——伏打堆。为了纪念他的贡献，人们至今仍然用伏特（ volt ）表示电压。

　　运气

　　伽伐尼和伏打的论战，不仅奠定了电生理学的基础，而且开启了多学科协作的新时代。到了19世纪初，学者们已经证实，不存在什么“生物电”，生物体内的电流和自然界中的电现象，并没有本质区别；而神经细胞，正是依靠电流，控制肌肉的。

　　那么，神经细胞是怎么产生电流的呢？

　　“工欲善其事，必先利其器。”为了研究细胞，学者们发明了显微镜；要想测量电流，我们可以去买一个万用表。当时的生理学家们打算向神经细胞进军的时候，却尴尬 地 发现，根本没有工具可用。

　　因为，神经细胞实在是太小了。

　　要想观察神经细胞的电流，必须保持神经细胞的活性。就是说，插入神经细胞的电极，必须比神经细胞小得多，以免损害神经细胞的正常生理活动。然而，神经细胞通常只有几十微米大小，上哪找那么小的电极去呢？

　　突破是由两个人完成的。

　　1936年，英国动物学家约翰·杨（John Y oung）偶尔发现，鱿鱼的神经堪称巨大，达到了毫米级别。

　　（鱿鱼巨大的神经） [2]

　　1949 年，中国生理学家凌宁（ Gilbert Ning Ling ），通过反复试验，完善了相关条件和技术，成功用玻璃微管拉制出了直径小于0. 5 微米的电极。 [3]

　　（凌宁） [3]

　　科学是没有止境的，欲知后事，敬请关注《膜片钳——打开细胞奥秘的钥匙（下）》。

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　　参考文献

　　[2] 一条鱿鱼，是怎样建立实验室、解救博士生、获得#诺贝尔奖#的？[EB/OL]. [2017-05-21]. http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404100427758080424.

　　[3] BRETAG A H. The glass micropipette electrode: A history of its inventors and users to 1950[J]. The Journal of General Physiology, 2017, 149(4): 417–430.