膜片鉗——打開細胞奧秘的鑰匙-上

俗話說：「沒有金剛鑽，不攬瓷器活。」創造和使用工具，是人類獨有的能力。有的工具塑造了我們的文化，比如筷子；有的工具繁榮了我們的經濟，比如計算機；還有的工具，用四個字概括就可以了——沒它不行。

膜片鉗，就是這樣一種「沒它不行」的工具。

靈氣

18世紀末，學者們已經積累了很多的生理知識。他們知道人體是由細胞組成的，而細胞有不同的類型，每一種類型的細胞，都有著自己獨特的功能。那麼，這些細胞是如何組成人體的呢？把一堆細胞倒入木桶，肯定長不出格魯特，是吧？

（《銀河護衛隊2》里的格魯特，圖片來源：douban.com）

換句話說，神經細胞究竟是如何控制肌肉的？

當時流行的理論，是「靈氣說」。「靈氣說」來源於「靈魂說」，二者實質上是一樣的，都認為動物內存在一種特殊的能量。有了它，生命才能出現；沒有它，再多細胞也不過是一堆腐肉。

爭論

真相，是由一次爭論引發的。

義大利的醫生伽伐尼（Luigi Galvani）在一次實驗中，偶然發現，金屬剪刀接觸青蛙腿，可以產生電火花，同時，蛙腿會抽搐。他用多種金屬反覆實驗，結果發現，只要用兩種不同的金屬接觸蛙腿，就能產生電流、引起蛙腿抽搐。

據此，伽伐尼認為在動物體內，存在一種特殊的電流。這種電流，就是之前人們苦苦尋找的「靈氣」，他稱之為「生物電」。當金屬接觸動物細胞時，電荷被轉移到金屬上，因此，兩種金屬互相接觸，就會產生電流。

（伽伐尼，圖片來源：wikipedia.org）

伽伐尼的實驗，傳到了物理學家伏打（Alessandro Volta）的耳朵里，引起了伏打的極大興趣。伏打重複了伽伐尼的實驗，提出了另一種解釋：在電解液中，兩種不同的金屬，可以產生電流；這種電流，會引起肌肉細胞的收縮。也就是說，並不是「生物電」改變了金屬，而是金屬產生的電流改變了細胞。

（伏打，圖片來源：wikipedia.org）

為了驗證自己的學說，伏打用金屬和電解液製造了人類歷史上第一種電化學電池——伏打堆。為了紀念他的貢獻，人們至今仍然用伏特（volt）表示電壓。

運氣

伽伐尼和伏打的論戰，不僅奠定了電生理學的基礎，而且開啟了多學科協作的新時代。到了19世紀初，學者們已經證實，不存在什麼「生物電」，生物體內的電流和自然界中的電現象，並沒有本質區別；而神經細胞，正是依靠電流，控制肌肉的。

那麼，神經細胞是怎麼產生電流的呢？

「工欲善其事，必先利其器。」為了研究細胞，學者們發明了顯微鏡；要想測量電流，我們可以去買一個萬用表。當時的生理學家們打算向神經細胞進軍的時候，卻尷尬地發現，根本沒有工具可用。

因為，神經細胞實在是太小了。

要想觀察神經細胞的電流，必須保持神經細胞的活性。就是說，插入神經細胞的電極，必須比神經細胞小得多，以免損害神經細胞的正常生理活動。然而，神經細胞通常只有幾十微米大小，上哪找那麼小的電極去呢？

突破是由兩個人完成的。

1936年，英國動物學家約翰·楊（John Young）偶爾發現，魷魚的神經堪稱巨大，達到了毫米級別。[1]

（魷魚巨大的神經）[2]

1949年，中國生理學家凌寧（Gilbert Ning Ling），通過反覆試驗，完善了相關條件和技術，成功用玻璃微管拉制出了直徑小於0.5微米的電極。[3]

（凌寧）[3]

科學是沒有止境的，欲知後事，敬請關注《膜片鉗——打開細胞奧秘的鑰匙（下）》。

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參考文獻

[1] 吳建永. 魷魚巨大神經與神經信號的秘密[J]. 物理, 2013, 42(08): 580–588.

[2] 一條魷魚，是怎樣建立實驗室、解救博士生、獲得#諾貝爾獎#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.

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