生物電的發(fā)現講解

　　電無處不在，生活缺少不了電，那么還有一種電不知道大家有沒有聽過，下面是小編整理的生物電的發(fā)現講解，希望對你有所幫助！

　　科學家在探索生命奧秘的路途中，下面列出的幾位為生物電的發(fā)現和證實作出了重要的貢獻。值得一提的是，從一個科學家所特有的敏感性和理性，早就有人認識到生命與電的同一性，也就是我們開始倡導的生命的電本質論。

　　刺激神經肌肉標本的神經干，雖然肉眼看不出變化，卻可引起肌肉收縮，這說明刺激神經引起了神經的興奮，而神經的興奮是可傳播的，傳到肌肉引起肌肉興奮而發(fā)生收縮。這種可傳播的神經的興奮生理學稱為神經的沖動（impulse）。肌肉收縮是神經沖動的間接表現。神經沖動的直接表現是動作電位（actionpotential）。生理學家研究神經肌肉標本的動作電位已有一百多年的歷史，而對生物電的研究還可以追溯到更早的時期。公元前三百多年亞里士多德（Aristotle，公元前384—公元前322）觀察到電鰩（Torpedo）在捕食時先對水中動物施加震擊，使之麻痹。古希臘古羅馬人曾用黑電鰩（Torpedonobiliana）的震擊治療風痛、頭痛。但是直到18世紀電學的一些基本規(guī)律被發(fā)現以后，人們才逐步認識動物放電的性質。1769年E．N．Boncroft指出電鰩和電鲇都能放電，并將它們的放電力與萊頓瓶組的放電力相比較。1772年J．Walsh發(fā)現了電鲇放電的部位。不過那時對動物電的認識只限于少數幾種電魚，并不了解其他的動物體內也有電。1791年是一個轉折點，這一年LuigiGalvani（1737—1798）出版了他的名著《Commentary》，指出神經具有內在形式的電。1786年Galvani發(fā)現，如用兩種金屬組成的回路把新制備的蛙的神經肌肉連接起來，馬上會使肌肉搐搦、抖動。

　　Galvani根據這一現象認為，蛙體內存在神經電流體，通過神經使肌肉組織像萊頓瓶一樣充電，肌肉內外帶有不同性質的電荷，可以放電，金屬導線只起接通的作用。AlessandroVolta（1745—1827）在1792年成功地重復了Galvani的實驗，但他不贊成Galvani的解釋。他認為Galvani實驗中的電源不是神經肌肉組織，而是由兩種金屬組成的回路本身，因為在兩種不同的金屬接觸時，產生了人工電。這兩位科學巨人的意見針鋒相對，引發(fā)了一場有意義的學術爭論。Volta認為Galvani發(fā)現的每種現象都應該用雙金屬電流來解釋，而Galvani則相信自己的每一個例證中的電都是動物組織產生的。他們各自進行實驗來檢驗自己的意見。Volta在Galvani實驗的啟發(fā)下，進行了一系列的實驗，建立了金屬接觸電動勢理論，從而發(fā)明了后人以他的名字命名的Volta電池，這是人類第一個產生穩(wěn)定電流的電源。Galvani為了答復Volta的責難，在1794年設計了一個不用任何金屬的實驗來證明動物電的存在。他和他的侄子Aldini把一條蛙肌直接與相連的神經接觸，引起了肌肉收縮。

　　如果有人告訴你，你的身體帶電，你或許會很驚訝吧？其實，電在生物體內普遍存在。生命過程的實質就是電子傳遞過程，特別是能量轉換、神經傳導、光合作用、呼吸過程均與此有關。盡管200多年前，生物學家就知道神經沖動能傳導電子。但是，在較長的一段時間內，有關生物電的研究并未取得長足的進步直到近幾年來才有了一些新的突破。

　　無處不在的生物電現象

　　生物電是活組織的主要特性之一。人體某一部位受到刺激后，感覺器官就會產生興奮。興奮沿著傳入經到達大腦，大腦便根據興奮傳來的信息發(fā)出指令；然后傳出神經將大腦的指令傳給相應的效應器官，從而產生相應的動作。這一過程傳遞的信息——興奮，就是生物電。也就是說，感官和大腦之間的刺激反應主要是通過生物電的傳導來實現的。事實上，不僅是神經沖動能傳導電子，在人體里進行的幾乎每個生理過程都與生物電有關，如心臟跳動、肌肉收縮、大腦思維等。

　　有些動物具有很強的生物電。比如，生活在非洲尼羅河中的電鯰，在受到驚嚇或捕食時能迅速放電，產生400～500伏電壓。生活在南美洲亞馬孫河里的電鰻，更是一個電擊高手。它們若受到驚嚇或捕食，能產生300～800伏，甚至1000伏左右的電壓，足以電死一頭牛，因此贏得了“河中魔王”的稱號。

　　植物體內同樣有生物電的存在。最為著名的例子當屬含羞草。當人手指碰到含羞草的葉片時，它便羞答答地“垂首低眉”。這是因為當含羞草的葉片受到刺激后，會立即產生電流，電流沿著葉柄傳到葉片底座上的球狀器官，引起球狀器官的活動，而它的活動又帶動葉片活動，使得葉片閉合。不久，電流消失，葉片就恢復原狀。

　　此外，還有許多生活在大海深處的生物，它們能把化學能轉化為電能，在黑暗中發(fā)出光亮。比如，生活在海洋深處的蝦類、魚類，大約有70％的品種能發(fā)光。因此，夜慕降臨時，在海洋的一些區(qū)域，一盞盞生物燈大放異彩，形成一幕極為壯觀的”燈市夜景”。

　　生物電從哪里來

　　最早記錄生物電現象的是18世紀末的意大利解剖醫(yī)學家及物理學家路易·伽伐尼。有一次，當他在解剖一只青蛙時，發(fā)現當金屬刀的刀尖碰到青蛙腿上外露的神經時，蛙腿發(fā)生了抽搐現象。于是，伽伐尼創(chuàng)造了術語“動物電”來描述這個現象，并由此認為肌肉活動是由電流或者是神經里的物質引起的。

　　生物電的科學解釋是指生物細胞的靜電壓，以及在活組織中的電流，如神經和肌肉中的電流。生物細胞用生物電儲存代謝能量，用來工作或引發(fā)內部的變化，并且相互傳導信號。

　　生物學家認為，組成生物體的每個細胞都像一臺微型發(fā)電機。一些帶有正電荷或者負電荷的離于如鉀離子、鈣離子、鈉離子、氯離子等，分布在細胞膜內外，使得細胞膜外帶正電荷，膜內帶負電荷。當這些離子流動時就會產生電流，并造成細胞內外電位差。

　　生物電通常都很微弱，比如，人的心臟跳動時，會產生1-2毫伏的電壓，眼睛開閉時，會產生5-6毫伏的電壓；讀書或思考問題時，大腦會產生0.2-1毫伏的電壓。當然，也有不少生物瞬間能產主非常大的電壓，如前面提到的電鯰、電鰻等。

　　正因為通常狀態(tài)下生物電的電壓很低、電流也很弱，所以只有用精密的儀器才能測量到。直到20世紀初，荷蘭生理學家威廉·艾因索維才在前人的基礎上完善了用來測量生物電的電流計，研制出了第一臺實用的心電圖儀。

　　隨著科技的發(fā)展，現在有了越來越精確地測量生物電的儀器。生物電測量在醫(yī)學上的廣泛應用大大促進了疾病的臨床診斷，如用心電圖儀測量心電圖，用腦電圖儀測量腦電圖，它們在診治疾病過程中起到了很重要的作用。

　　生物電的學說：

　　企圖用一種學說去解釋各種生物體中所出現的各種不同的電現象是不可能的。不過，在動物體上，特別是在神經系統或肌肉系統中所發(fā)生的各種電現象，基本上可以用A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎提出的離子學說，從細胞水平加以解釋。

　　離子學說是在J.伯恩斯坦（1902）提出的膜學說的基礎上發(fā)展而成的。離子學說認為，神經或肌肉的細胞膜，對不同的離子具有不同程度的通透性。又由于細胞內的各種離子濃度，特別是鉀離子、鈉離子和氯離子，與細胞外液中的濃度不同，因此，在細胞膜內外兩側間就會產生電位差（根據F.G.唐南氏平衡原理）即膜電位。這是靜息電位的基礎。在不同的生理條件下，細胞膜對各種離子的通透性將發(fā)生變化，因此膜電位也即發(fā)生改變，即形成各種形式的動作電位。例如，在靜息狀態(tài)下，神經或肌肉細胞的細胞膜對鉀離子具有較大的通透性，而細胞內的鉀離子濃度高于細胞外的濃度幾十倍，因而形成幾十毫伏的膜外較膜內正的靜息膜電位。當改變細胞外（或細胞內）的鉀離子濃度時，靜息膜電位將按能斯脫（Nernst）公式的關系，發(fā)生相應的改變。這就證明了靜息膜電位決定于細胞內外鉀離子濃度的觀點。有些植物細胞的靜息膜電位，也是由細胞內外鉀離子的濃度所決定的。當神經或肌肉細胞發(fā)生興奮時，細胞膜對各種離子的通透性發(fā)生了變化，即對鈉離子的通透性突然增大，并在各種離子的通滲性中占優(yōu)勢地位。因此在這瞬間內，膜電位的大小與極性，主要決定于細胞膜內外的鈉離子濃度。由于細胞外的鈉離子濃度較細胞內高，因此，在短時間內膜電位突然由膜外較膜內正變?yōu)槟�內較膜外正，即出現反極化現象。此時電位變化的幅度（去極化后再成反極化）可達100毫伏以上，這就是動作電位。但這時仍有不同于靜息狀態(tài)下的膜電位，稱為動作膜電位。

　　動作電位所在的區(qū)域，即興奮沖動所在的區(qū)域，會迅速地向前傳導。興奮沖動在某一區(qū)域出現的時間極短，只有幾毫秒。當興奮沖動過去以后，這一區(qū)域的膜電位又逐漸恢復到原來的靜息狀態(tài)，即恢復靜息膜電位。

　　在不同的細胞上，甚至在同一個細胞的不同區(qū)域的細胞膜上所發(fā)生的通透性變化并不完全一致。例如，脊椎動物視網膜中的視細胞，在受光照刺激時所產生的反應是膜電位升高（超極化）。但是，無脊椎動物視網膜中的視細胞，受光照刺激時所產生的反應是膜電位降低（去極化）。又如，在同一個脊髓運動神經元軸突的膜上，興奮時所表現的是去極化甚至反極化反應。但在同一個運動神經元的興奮性突觸后膜上，當接受另一個神經元的神經末梢釋放的興奮性遞質時，雖然也產生去極化反應，但這時所發(fā)生的離子通透性變化卻與軸突上所發(fā)生的不同。興奮性突觸下膜興奮時，對鈉離子的通透性不是單獨的突然增加，而是對各種離子的通透性普遍地增加，所以它并不出現反極化（膜內較膜外正）的狀態(tài)。在同一個運動神經元的抑制性突觸后膜上，當接受另一個神經元的神經末梢釋放的抑制性遞質作用時，情況另是一樣。抑制性突觸下膜興奮時對鉀離子與氯離子的通透性增高，使膜電位超極化，則膜外更正于膜內�？梢姴煌�的細胞，甚至同一細胞的不同區(qū)域的細胞膜，在興奮時所產生的膜電位變化是不相同的。

　　總的來說，無論是靜息膜電位或各種動作膜電位變化，都可以用細胞膜對各種離子通透性的不同來解釋。由于通透性的不同變化，膜內外各種離子濃度的差別，表現出各種極性、幅值、頻率、相位不同的生物電現象。

　　在組織或器官上發(fā)生的生物電現象，大多數是個別細胞所產生的生物電的矢量總和，所以對它的發(fā)生機制同樣可以用離子學說去解釋。但有些生物電變化的時間過程極緩慢，如光合作用時所產生的電變化與細胞的代謝活動有密切聯系，即是一種生物電化學電位。在大腦皮層上還可以檢測出一些極緩慢的電位波動，有的在1分鐘內波動幾次，有的幾分鐘甚至幾十分鐘才有明顯的變化。這種電位與快速的神經細胞興奮活動不同，也可能是一種由代謝活動所引起的或與神經膠質細胞活動有關的生物電化學現象。

　　生物電的意義：

　　電魚能在瞬間放出高壓電，所以既有防御獵食者侵犯的作用；也可用這種電擊捕獲小動物。另有一些電魚，如非洲的裸背鰻魚類，能不斷地釋放微弱的電脈沖，起探測作用或導向作用。生物電更普遍的意義在于信息的轉換、傳導、傳遞與編碼。生物體要維持生命活動，必須適應周圍環(huán)境的變化。由于環(huán)境變化的因素與形式復雜多變，如變化的光照、聲音、熱、機械作用等等，因此生物有機體必須將各種不同的刺激動因快速轉變成為同一種表現形式的信息，即神經沖動，并經過傳導、傳遞和分析綜合，及時作出應有的反應。高等動物具有各種分工精細的感受器。每種感受器一般只能感受某種特殊性質的刺激。感受器中的感覺細胞接受刺激時會發(fā)生感受器電位，并用它來啟動神經組織，產生動作電位。因此，不同的刺激動因都變成了同一形式的神經沖動。神經沖動是“全或無”性質的，即“通”、“斷”形式的信息。神經沖動用頻率變化形式，傳遞信息到中樞神經系統。中樞神經系統對信息進行分析、綜合、編碼，并將同時作出的反應信息以神經沖動形式傳向外周效應器官。動作電位的傳導極為迅速，所以生物體能及時對周圍環(huán)境變化，作出迅速的反應。這一系列的信息傳遞都是以發(fā)生各種形式的生物電變化來完成的。

　　生物電的應用：

　　生物體內廣泛、繁雜的電現象是正常生理活動的反映，在一定條件下，從統計意義上說生物電是有規(guī)律的：一定的生理過程，對應著一定的電反應。因此，依據生物電的變化可以推知生理過程是否處于正常狀態(tài)，如心電圖、腦電圖、肌電圖等生物電信息的檢測等。反之，當把一定強度、頻率的電信號輸到特定的組織部位，則又可以影響其生理狀態(tài)，如用“心臟起搏器”可使一時失控的心臟恢復其正常節(jié)律活動。應用腦的電刺激術（EBS）可醫(yī)治某些腦疾患。在頸動脈設置血壓調節(jié)器，則可調節(jié)病人的血壓。“機械手”、人造肢體等都是利用肌電實現隨意動作的人－機系統。宇航中采用的“生物太陽電池”就是利用細菌生命過程中轉換的電能，提供了比硅電池效率高得多的能源�？梢灶A見生物電在醫(yī)學、仿生、信息控制、能源等領域將會不斷開發(fā)其應用范圍。

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