生物电的起源

Jared Diamond　贾雷德·戴蒙德

加州大学洛杉矶分校医学院生理学教授。以生理学开始其科学生涯，进而研究进化生物学和生物地理学。著有《枪炮、疾病与钢铁》《第三种黑猩猩》等。

我所心仪的深邃、美妙又优雅的阐释是对动物和植物如何生成生物电这个问题的解答，这是由英国生理学家艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎于1952年提出的，由于该项贡献，他们获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。

一个多世纪以来，人们已经知道，动物的神经、肌肉以及其他某些动物的器官和少数的植物能够产生电。大部分的电力是不到一伏特的低压电。不过，电鳗串联起6 000片肌肉薄膜，可产生600伏特的电流，足以杀死它们的猎物，让涉水而过的马休克。甚至在我读研究生时，因为研究电鳗发电，我由于过于专注思考其生理机制而忘了其危险性，体验了触电的感觉。

电流涉及带电粒子的运动。灯泡和电力网中这些带电粒子是带负电荷的电子。那么在生物系统中又是什么呢？早在一个世纪前，德国生理学家尤利乌斯·伯恩斯坦（Julius 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。

霍奇金和赫胥黎在20世纪30年代末期开启了决定性的实验。他们希望能够发现，静止的神经细胞薄膜在放电时，由于失去对带正电荷钾离子的选择渗透性，电压暂时会降到零。但结果令他们大吃一惊，他们发现，神经电压不仅变成零，神经薄膜变得具有无差别渗透性，实际上电压极性也出现了反转，这种状况需要某些特别的阐释。当时希特勒入侵了波兰，霍奇金和赫胥黎在随后的6年间，利用他们对电的理解，为英军建造了雷达。

到了1945年，他们二人恢复了之前的实验，利用在鱿鱼背上发现的、大到足以插入电极的巨大神经，来测量神经薄膜的电压。他们证实了战争之前的惊人发现，神经电压确实具有极性反转，而这种反转会沿着神经传输构成电脉冲。在一系列定义“优雅”这个词的实验中，他们人为地在神经薄膜两端用不同程度的钳制电压，测量从薄膜进出的电流，并将其作为每种程度电压钳制后的时间函数，之后将电压测量的结果转换为带正电荷钾离子渗透性的变化，再将带正电荷的钠离子转化为电压和时间的函数，最后由这个与时间、电压相关的渗透性变化，重新构建整个电脉冲过程。今天，生理学的学生只需要一个下午的时间，就可以用他们的台式电脑，完成必要的计算来重建工作电位。在现代电脑时代出现之前的1952年，赫胥黎不得不辛辛苦苦地用台式计算器进行计算，这花了他将近一个月的时间才做完一个神经脉冲的计算。

霍奇金和赫胥黎于1952年发表在英国《生理学期刊》（Journal of Physiology）的4篇论文，以排山倒海之势详细解读了钠离子、钾离子的转移以及重建神经脉冲，当时的科学界几乎瞬间被其征服。正离子（不是带负电的电子）渗透性的变化，使得神经元可传达电脉冲，不仅让肌肉可以传达启动收缩的电脉冲，也让神经与肌肉结合处传达电脉冲，从而使神经启动肌肉；正离子也让神经之间的结合处也就是突触传达电脉冲，从而使一个神经元启动另一个神经元；让感觉器官产生电脉冲，将光、声音和触觉转化为电能，使得大脑和神经产生功能。这意味着，霍奇金和赫胥黎所揭示的动物电能达到启动的效果，使得我们可以阅读这一页、思考这一页、翻开这一页、发出长吁短叹、反思有关Edge网站的问题，并做出所有涉及运动、感觉和思想的事情。而这一切有关正电荷粒子的运动的基本原理再简单不过了，但上帝就存在于复杂的细节和优雅的重建过程之中。