简单中孕育神奇——揭秘生物电的起源

出品：科普中国

作者: 奥托星光

监制：中国科普博览

如果有一个涉及到物理、化学、生物、信息的知识，你会想到什么？可能有部分小伙伴给出的答案是生物电，主要就是神经冲动。另一部分的小伙伴可能会问了，神经也会冲动？先别急，此“冲动”非彼冲动。

神经中的电脉冲信号并不像金属导体中的电子传递，如果把神经比喻成一种导线，而神经本身作为一种有机组织，其导电性并不好；并且由于神经浸泡于绝缘性较差的体液中，这意味着阻抗作用会导致神经在导线中的信号会不断衰减。此时，神经就像是一个导电性不好又处处漏电的导线。

长期以来，科学家们都在探索神经中电脉冲的机制到底是什么。而它的奥秘，竟然是如此的简单和神奇。

青蛙实验——生物电的首次发现

早在18世纪，伽伐尼（Galvani）通过著名的青蛙实验观察到，金属会引起青蛙腿部痉挛，由此发现了生物电的存在。这一发现为后来伏特（Volt）发明电池提供了启发，并且促进了电学本身的发展。然而，该发现对于神经传递电信号方式的相关研究，却影响平平。

直到 1871年，美国生理学家鲍迪奇（Bowditch）提出了神经的全或无定律（all-or-none law），即对神经的刺激必须达到一定的阈值才能引起神经冲动。1913年阿德里安（Adrian）通过在单根神经上测量电信号，从而记录到了神经冲动，并发现神经冲动可以到达大脑，大脑又会重新发出新的神经冲动控制肌肉的收缩。

然而，上述科学家的研究依然没有解释神经中的电流传导方式。

伽伐尼的青蛙实验

（图片来源：维基百科）

神经中的电信号传导方式

通常的想法认为，体液中存在许多离子，这会不会是神经中电脉冲的载流子呢？在一个世纪之前，德国的生理学家伯恩斯坦（Bernstein）首先想到，负责生物电的带电粒子不是电子而是带正电荷的离子，并且证实了神经冲动发生在细胞膜上，可以使得细胞膜迅速达到一个没有跨膜电位的新平衡态。

伯恩斯坦的假设解释了静息电位的符号和大小，以及神经冲动过程中观察到的去极化现象（膜电位变为零）。但是关于神经冲动的详细过程的揭示还要等到后来的两个人出现，那就是霍金奇（Hodgking）和赫胥黎（Huxley，赫胥黎家族成员）。

神经冲动的化学机制

霍金奇和赫胥黎在20世纪30年代开展了探索实验，试图解释神经冲动的化学机制。他们将微玻璃毛细电极插入到乌贼的巨大轴突中，从而测量出了神经冲动的电势变化，并发现了极性反转现象（膜电位短暂改变了符号）。

随即，他们发现这一峰值电位与钠离子的能斯特（Nernst）电位近似。这便对伯恩斯坦的选择性透过思想进行了扩充——表面细胞膜可以由选择性主要透过钾离子迅速变为渗透钠离子。

然而，当研究最终到达揭示谜底的激动时刻时，第二次世界大战爆发了。由于这一研究属于非军事科学，因此被搁置了数年。直到1946年，霍金奇和卡茨（Katz）继续开展研究，并详尽地说明了随着轴突外部溶液钠离子浓度的降低，峰值电位的确会下降，直至下降到零；而反之峰值电位则会上升。

在后来的研究中，霍金奇和赫胥黎提出了电压门控假说：神经细胞膜的去极化，即是触发钠离子渗透性变化和膜电导率上升的原因。他们认为膜上有一些未知的分子机器允许钠离子以依赖膜电位的电导率进行跨膜运动。

这一观点表明，钠离子跨膜运动是一个正反馈过程，即去极化开启了通过钠离子的分子机器，这一过程又反过来促进了去极化过程，从而开启更多的分子机器，二者循环往复。这便解释了神经冲动的传递过程。

神经冲动传递方式（动图）

（图片来源：维基百科）

在接下来的实验中，霍金奇、赫胥黎和卡茨利用新发展的三项技术（空间钳、电压钳、离子流分离）开展了一系列精巧的实验，确定了具有电位依赖性和离子选择性的电导的存在。

在当时计算机诞生前的年代，他们利用手摇计算机，花费了将近一个月时间才重建了一个神经电脉冲的计算，而获得的结果完美重现了动作电位的时间特征、传播速率和膜外部离子浓度变化的依赖关系。

但是，从本质上说，霍金奇-赫胥黎模型揭示的动作电位理论仅是一个唯象理论，他们能够利用所测量的大量离子的宏观结果和物理参数来解释动作电位，却无法解释内在的化学机制，即神经膜上分子机器是如何转运不同尺寸的钠钾离子的。

神经冲动的分子生物学基础

更深层次的认识需要分子生物学和电子设备的发展。真正的突破需要等到1975年，内尔（Neher）和萨克曼（Sakmanan）发展了必要的电子技术和膜片钳技术，这两个技术的进步使得测量穿过活细胞膜上单个分子机器即离子通道的电流成为可能。

而离子通道微观结构的观测结果表明了离子通道的特异性和传导机制。1998年，麦金农（Mackinnon）等人首次得到了钾离子通道的晶体结构，发现其尺寸完全符合钾离子的大小。其结构也表明，神经膜电位的改变会引起离子通道蛋白大尺度的构象变化，从而导致离子通道的开启，这也揭示了神经冲动传递的具体过程。

至此，人们才完全揭示了生物电的物理规律、化学机制和分子生物学基础。

钠钾离子通道示意图

（图片来源：维基百科）

人体生物电的应用

生物电的应用当然也非常广泛并且前景无限。早在生物电的化学机制发现之前，医院里已经在用心电图来检查患者的心脏问题了。由于安全性和易操作性，现在医院也常采用电针灸理疗可以代替传统的针灸方式。而目前大热的脑机接口已经成为一个前沿交叉学科，不仅能够有望在医疗领域发挥巨大价值，修复患者身体和精神创伤，也必将会在各个领域和场景发挥意想不到的用途，更是实现我们与机器交互甚至共生的关键。

马斯克和他的Neuralink

（图片来源：新智元）

结语

生物电的研究跨越了两百年，这是一个利用物理和化学的手段研究生物学问题，并揭示生物体内信息传递机制的多学科交叉的研究典范，也显示了技术对科学认识的促进作用。而生物电的影响有多大呢？从你所形成的各种感觉、所进行的各项运动，到你此时此刻阅读这篇文章时，认同或质疑的思考行为，都与你体内正在快速转运的钠钾离子产生的电脉冲有关。

大自然利用这一巧妙的方式构筑了生物体内信息的传递，虽然它十分简洁，却有效地创造了复杂和神奇，并且为人类的未来带来无限可能。

参考文献：

【1】菲利普·纳尔逊，《生物物理学：能量、信息、生命》，2006

【2】约翰·布罗克曼，《世界因何优雅而美妙的运行》，2017