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科普报道

电的鼻祖

发布时间:2009年09月28日

  电灯给人以光明,电视给人以欢乐;电气机车裁人日行千里,宇宙飞船上也有电在工作。电,既是一种能量形式,又是一种通信手段,因而是现代社会文明的物质基础。

  但你可知道,人类利用电竟是从研究青蛙腿的生物电开始的。

  当然,证明白然界中存在电的事实却很早。两千多年前,希腊人就懂得用琥珀与毛皮摩擦生电。在现代科学中,“电子”这个词就是从希腊文“琥珀”译过来的。后来,人们又发现用玻璃摩擦绸缎也能生电,并认为这两种方法产生的电“流体”不同01672年,第一台摩擦电机问世,从此可生产出大量电“流体”。差不多又过了一百年,科学家才懂得把电贮存在莱顿瓶中。这是一种用锡箔或其他金属部分覆盖其内外表面的玻璃瓶,可充当电容器或聚电器o这时,美国著名科学家富兰克林提出,自然界只有一种电“流体”,摩擦使一个物体带的电“流体”过剩,另个物体带的则不足。他还主张,大气电(闪电)和摩擦产生的电相同。法国物理学家库仑证明,带电物体相互吸引或排斥,其作用力与它们之间距离的平方成反比。但在伽伐尼和伏判“之前,任何人都没办法产生出连续的电流。

  另一方面,关于生物电也早就有了记载。例如,有人叙述过电路的“震击”,电鳃和电缀的专门发电器官。后来又发现,用静电机产生的电来刺激肌肉或其神经,能使肌肉抽动。所以生物学家们开始怀疑“神经流体”或“动物活气”在神经管中流动,并参与肌肉收缩的假定,转而认为所有神经功能可能具有电的性质。怠大利产科医生兼解剖学家伽伐尼也持有这种观点,并想用实验来证实电和“神经流体”是一个东西。从1790年开始,他在这方面做了三个实验,证实动物体中存在着生物电,从而取得了科学上的重大突破。从此,人类社会的电气化时代开始了。

  一天,伽伐尼及其助弓把蛙解剖好,放在有摩擦线电机的桌上做实验。他偶势观察到,在解剖刀尖触着由坐骨神经的情况下,只要笼电机一打火花,陛腿就要习弹一下(图3)。如果手持唱质刀柄,便不出现这种反应。若手触刀片,一打火衣蛙腿又会抽动。现在看来,这并不证明生物电的存在,而是由静电机、蛙、人和刘所成回路小的静电感府顾致。但这个实验却促使伽f3尼想知道,大气电是否也5起这类反应。在雷雨天气,他把与房屋绝缘的铁丝从高处引下来(要用更高的导线避雷),与蛙腿连接在一起,发现每当有闪电时,蛙腿都强烈收缩,而且收缩发生在雷鸣之前。在做这些实验期间,伽伐尼还观察到一个现象:当他把解剖好的蛙用铜丝钧住脊髓,放在吊花盆周围的铁丝网篮中,即使在晴天有时也能观察到蛙腿发生收缩。伽伐尼原以为这是大气电的影响,便着手研究大气电变化与陛腿收缩之间的关系。但多次观察都毫无结果,在“山穷水尽疑无路”时,将铜钩按下触着铁网,却是“柳暗花明又一村”——蛙腿动弹了。这一下又使伽伐尼受到鼓舞,他试着把各种金属配成对于,将蛙的脊髓与腿肌连起来,发现各种双金属弧引起肌肉收缩强弱有别;但是不导电的玻璃和木头则没有这种作用。于是他认为,连接神经和肌肉的金属把肌肉中的“动物电”放了出来,从而引起肌肉的收缩。在这个过程中,神经和肌肉起莱顿瓶内外导体的作用(图4)o以后我们会看到,这是伽伐尼犯的一个大错误。

  毫无疑问,伽伐尼的实验震动了科学界,一·阵“动物电”狂热随之而起。在凡能抓到青蛙的地方,不管是科学家还是门外汉都争相做实验,甚至在群众集会上也把伽伐尼实验表演一番。这确实是青蛙大倒其霉的日子。有位生理学家兼物理学家的意大利人叫伏打,起初他也相信伽伐尼对蛙腿收缩的解释——神经一肌肉莱顿瓶放电,但不久他就有了L,1己的独特见解。因为他发现肌肉收缩的重要条件是,要有两种金属在一端相连,其余两个自由端接触神经和肌肉;如果只用一种金属把神经与肌肉连接起来,肌肉就不发生收缩。而且他还发现,双金属弧不一定要同时接触神经和肌肉,只接触一条神经的两部分,或两块肌肉,或同一肌肉的两点,也都能引起蛙腿抽动。因此伏打相信,刺激神经的电源仅仅是“两种金属的接触”。他把铜币放在舌头上面,将银币置于舌下,每当这两个硬币在舌侧接触时,都产生味道感,这是舌头受电刺激所致。后来,伏打把银板和锌板压在一起构成金属(电极)对,几十对金属板以相同顺序重叠起来,当中央以电解质溶液(例如硷水或盐水等),这就构成最早·的伏打电池。有趣的是,伏打认为他的装置类似电鳃和电路的天然电器官,而不象菜顿瓶,因而他将其命名为“人造电器官”’在伏打的银锌电池中,电压可达1.56伏,与目前最好的银锌电池(1.86伏)差不多。但是,伏打认为两种金属接触就能产生电,这种对电池工作原理的解释是错误的。现在我们知道,在电极和电解质界面上产生电动势,它被称为半电池电位;两个半电池电位之间的差,就是伏打电他的电压。用伏匆·电池可得到连续的电流,从而开辩了应用电的时代。在伽伐尼的第二个实验中,也是由两个半电池的电压刺激了神纤。

  如果把蛀神经和肌内的组织液看作0.6%盐溶液,钢和铁电圾之间的电位差为450毫伏,足以引起青蛙神经兴奋。

  伏打的实验结论是,伽伐尼并没有发现“动物电”,使蛙腿动作的是“金属电”。这一打击对伽伐尼来说确乎非同小可,位他好久翻不过身来。但伽伐尼仍然坚信“动物电”,并着手进行他的第三个实验。在这个实验中,他把蛙的这条腿的坐骨神经搭在那条腿的肌肉上,那条腿的肌肉便产生强烈收缩。不用金属也能引起肌肉收缩,表明生物电确实存在于动物体中。

  我们现在知道,活组织的损伤部位相对完好区域呈现负电性,这种电位差叫损伤电位,一般有50毫伏左右。把神经塔在有损伤区和完好区的肌肉上,它就受到损伤电位的刺激,使被其支配的肌肉发生收缩(图5.A)。这是后来由诺伯里证明的。他把娃的头砍掉,剥皮,然后将蛙脚放在盛有盐水的玻璃杯中,把躯干浸入另一杯盐溶液中;当用湿棉线把两杯溶液连接起来,陛的肌肉就发生收缩。显然,在这个系统中没有金属导线,所以肌肉的收缩由“动物电”刺激所致。诺伯里还把一些剥制好的青蛙串连起来,即把后面蛙的躯干放在前面蛙的腿上,这就构成了蛙“伏打电池组”。他用当时发明不久的电流计进行的测量表明,串连起来的蛙越多,得到的损伤电池就越大。这是人们首次用物理仪器演示出生物电流的存在。

  后来,伽伐尼的同胞麦狄西把活动物的肌肉损伤,将蛙路神经插入伤口,当神经跨接损伤和完好区域时,它所支配i勺肌肉就猛烈收缩。他不仅证实了生物电位,而且还做出了窃要的新发现——在骨路肌收缩前有动作电位出现。他的空验是这样的:把从蛙脊髓到腿肌的神经剥离出来,然后把它搭在用同法剥制的另只蛙的腿肌上;用伏打电池刺激后者的神么—两只畦的腿便会相继收缩(图5.B)。这表明有电变化在神经和肌肉纤维中传播。这种传播开来的电位表示纤维的活动,故后来被叫做动作电位;有时也称之为峰电位,因其在示波器屏上显示为峰样的偏转。神经纤维的峰电位又叫做神经脉冲,一般幅度为90一100毫伏,传播速度在每秒1一100米之间。如果我们把神经比作人和动物体内的“电报线”,那么神经脉冲就是在其中传递的“莫尔斯电码”。生物通过神经系统了解周围环境情况,并指令身体检出适当反应。这样,它们才能在不断变化着的环境中更好地生存:

  自从蛙神经肌肉标本的生物电得到证实历,f:r学家们又陆续在各种生物的不同器官和组织中发现了小物电现象。可以说,lj凡有生物的地方就有电的变化。目前,出于电子仪器和微电极技术的发展,记录和分析小物电信号已形成生理学的一个重要分支一——电生理学。神经生理学、神经解剖学、神经化学研究相纳合,必将能揭示宇宙间最高级的物质运动形式—一人脑的奥秘。大家知道,脑电和心电的i己录和分析已广泛应用到临床诊断上,作为判断脑和心脏活动生理或病理状况的指标。肌电控制的假肢已使残废人能料理生活和工作;肌电臂则能为飞行员或宇航员“助一臂之力”,以帮助他们克服巨大的超重负荷。作为人力“放大器”的步行机,在肌电操纵下能完成人力所不及的重物运输。随着宇航和生物电技术的发展,我们将能在地球—L—用肌电控制远在另个星球上的机器人,使它维妙维肖地模仿人的四肢动作,如人身临其境那摊完成宇宙探险。

  说起来也颇有趣,这样的诱人前景竟是从研究蛙类开始的。伽伐尼和伏打为人类进步作出了重大贡献。为了纪念他们,在英语词汇中,电压、电压表、电量计等词都是以伏打开头的;而电流计、电镀、险电器等词则包含了伽伐尼字样。

 

 

  注:文章摘自《蛙蛇之谜》p8-14

  (作者:生物物理研究所研究员 王书荣)

  (出版日期:1984年02月第1版)

 

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