- 相關(guān)推薦
生物電的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)講解，希望對你有所幫助！
科學(xué)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(xiàn)和證實作出了重要的貢獻。值得一提的是，從一個科學(xué)家所特有的敏感性和理性，早就有人認(rèn)識到生命與電的同一性，也就是我們開始倡導(dǎo)的生命的電本質(zhì)論。
刺激神經(jīng)肌肉標(biāo)本的神經(jīng)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(jīng)引起了神經(jīng)的興奮，而神經(jīng)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(jīng)的興奮生理學(xué)稱為神經(jīng)的沖動（impulse）。肌肉收縮是神經(jīng)沖動的間接表現(xiàn)。神經(jīng)沖動的直接表現(xiàn)是動作電位（actionpotential）。生理學(xué)家研究神經(jīng)肌肉標(biāo)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(fēng)痛、頭痛。但是直到18世紀(jì)電學(xué)的一些基本規(guī)律被發(fā)現(xiàn)以后，人們才逐步認(rèn)識動物放電的性質(zhì)。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(xiàn)了電鲇放電的部位。不過那時對動物電的認(rèn)識只限于少數(shù)幾種電魚，并不了解其他的動物體內(nèi)也有電。1791年是一個轉(zhuǎn)折點，這一年LuigiGalvani（1737—1798）出版了他的名著《Commentary》，指出神經(jīng)具有內(nèi)在形式的電。1786年Galvani發(fā)現(xiàn)，如用兩種金屬組成的回路把新制備的蛙的神經(jīng)肌肉連接起來，馬上會使肌肉搐搦、抖動。
Galvani根據(jù)這一現(xiàn)象認(rèn)為，蛙體內(nèi)存在神經(jīng)電流體，通過神經(jīng)使肌肉組織像萊頓瓶一樣充電，肌肉內(nèi)外帶有不同性質(zhì)的電荷，可以放電，金屬導(dǎo)線只起接通的作用。AlessandroVolta（1745—1827）在1792年成功地重復(fù)了Galvani的實驗，但他不贊成Galvani的解釋。他認(rèn)為Galvani實驗中的電源不是神經(jīng)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(chǎn)生了人工電。這兩位科學(xué)巨人的意見針鋒相對，引發(fā)了一場有意義的學(xué)術(shù)爭論。Volta認(rèn)為Galvani發(fā)現(xiàn)的每種現(xiàn)象都應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生穩(wěn)定電流的電源。Galvani為了答復(fù)Volta的責(zé)難，在1794年設(shè)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(jīng)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(nèi)普遍存在。生命過程的實質(zhì)就是電子傳遞過程，特別是能量轉(zhuǎn)換、神經(jīng)傳導(dǎo)、光合作用、呼吸過程均與此有關(guān)。盡管200多年前，生物學(xué)家就知道神經(jīng)沖動能傳導(dǎo)電子。但是，在較長的一段時間內(nèi)，有關(guān)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(xiàn)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(chǎn)生興奮。興奮沿著傳入經(jīng)到達大腦，大腦便根據(jù)興奮傳來的信息發(fā)出指令；然后傳出神經(jīng)將大腦的指令傳給相應(yīng)的效應(yīng)器官，從而產(chǎn)生相應(yīng)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(yīng)主要是通過生物電的傳導(dǎo)來實現(xiàn)的。事實上，不僅是神經(jīng)沖動能傳導(dǎo)電子，在人體里進行的幾乎每個生理過程都與生物電有關(guān)，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(chǎn)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?nèi)羰艿襟@嚇或捕食，能產(chǎn)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(nèi)同樣有生物電的存在。最為著名的例子當(dāng)屬含羞草。當(dāng)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(dāng)含羞草的葉片受到刺激后，會立即產(chǎn)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(fù)原狀。
此外，還有許多生活在大海深處的生物，它們能把化學(xué)能轉(zhuǎn)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(xiàn)象的是18世紀(jì)末的意大利解剖醫(yī)學(xué)家及物理學(xué)家路易·伽伐尼。有一次，當(dāng)他在解剖一只青蛙時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬刀的刀尖碰到青蛙腿上外露的神經(jīng)時，蛙腿發(fā)生了抽搐現(xiàn)象。于是，伽伐尼創(chuàng)造了術(shù)語“動物電”來描述這個現(xiàn)象，并由此認(rèn)為肌肉活動是由電流或者是神經(jīng)里的物質(zhì)引起的。
生物電的科學(xué)解釋是指生物細(xì)胞的靜電壓，以及在活組織中的電流，如神經(jīng)和肌肉中的電流。生物細(xì)胞用生物電儲存代謝能量，用來工作或引發(fā)內(nèi)部的變化，并且相互傳導(dǎo)信號。
生物學(xué)家認(rèn)為，組成生物體的每個細(xì)胞都像一臺微型發(fā)電機。一些帶有正電荷或者負(fù)電荷的離于如鉀離子、鈣離子、鈉離子、氯離子等，分布在細(xì)胞膜內(nèi)外，使得細(xì)胞膜外帶正電荷，膜內(nèi)帶負(fù)電荷。當(dāng)這些離子流動時就會產(chǎn)生電流，并造成細(xì)胞內(nèi)外電位差。
生物電通常都很微弱，比如，人的心臟跳動時，會產(chǎn)生1-2毫伏的電壓，眼睛開閉時，會產(chǎn)生5-6毫伏的電壓；讀書或思考問題時，大腦會產(chǎn)生0.2-1毫伏的電壓。當(dāng)然，也有不少生物瞬間能產(chǎn)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(jì)初，荷蘭生理學(xué)家威廉·艾因索維才在前人的基礎(chǔ)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(xiàn)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(xué)上的廣泛應(yīng)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(xué)說：
企圖用一種學(xué)說去解釋各種生物體中所出現(xiàn)的各種不同的電現(xiàn)象是不可能的。不過，在動物體上，特別是在神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉系統(tǒng)中所發(fā)生的各種電現(xiàn)象，基本上可以用A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎提出的離子學(xué)說，從細(xì)胞水平加以解釋。
離子學(xué)說是在J.伯恩斯坦（1902）提出的膜學(xué)說的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。離子學(xué)說認(rèn)為，神經(jīng)或肌肉的細(xì)胞膜，對不同的離子具有不同程度的通透性。又由于細(xì)胞內(nèi)的各種離子濃度，特別是鉀離子、鈉離子和氯離子，與細(xì)胞外液中的濃度不同，因此，在細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)間就會產(chǎn)生電位差（根據(jù)F.G.唐南氏平衡原理）即膜電位。這是靜息電位的基礎(chǔ)。在不同的生理條件下，細(xì)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(jīng)或肌肉細(xì)胞的細(xì)胞膜對鉀離子具有較大的通透性，而細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度高于細(xì)胞外的濃度幾十倍，因而形成幾十毫伏的膜外較膜內(nèi)正的靜息膜電位。當(dāng)改變細(xì)胞外（或細(xì)胞內(nèi)）的鉀離子濃度時，靜息膜電位將按能斯脫（Nernst）公式的關(guān)系，發(fā)生相應(yīng)的改變。這就證明了靜息膜電位決定于細(xì)胞內(nèi)外鉀離子濃度的觀點。有些植物細(xì)胞的靜息膜電位，也是由細(xì)胞內(nèi)外鉀離子的濃度所決定的。當(dāng)神經(jīng)或肌肉細(xì)胞發(fā)生興奮時，細(xì)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(nèi)，膜電位的大小與極性，主要決定于細(xì)胞膜內(nèi)外的鈉離子濃度。由于細(xì)胞外的鈉離子濃度較細(xì)胞內(nèi)高，因此，在短時間內(nèi)膜電位突然由膜外較膜內(nèi)正變?yōu)槟?nèi)較膜外正，即出現(xiàn)反極化現(xiàn)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(dǎo)。興奮沖動在某一區(qū)域出現(xiàn)的時間極短，只有幾毫秒。當(dāng)興奮沖動過去以后，這一區(qū)域的膜電位又逐漸恢復(fù)到原來的靜息狀態(tài)，即恢復(fù)靜息膜電位。
在不同的細(xì)胞上，甚至在同一個細(xì)胞的不同區(qū)域的細(xì)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(wǎng)膜中的視細(xì)胞，在受光照刺激時所產(chǎn)生的反應(yīng)是膜電位升高（超極化）。但是，無脊椎動物視網(wǎng)膜中的視細(xì)胞，受光照刺激時所產(chǎn)生的反應(yīng)是膜電位降低（去極化）。又如，在同一個脊髓運動神經(jīng)元軸突的膜上，興奮時所表現(xiàn)的是去極化甚至反極化反應(yīng)。但在同一個運動神經(jīng)元的興奮性突觸后膜上，當(dāng)接受另一個神經(jīng)元的神經(jīng)末梢釋放的興奮性遞質(zhì)時，雖然也產(chǎn)生去極化反應(yīng)，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(xiàn)反極化（膜內(nèi)較膜外正）的狀態(tài)。在同一個運動神經(jīng)元的抑制性突觸后膜上，當(dāng)接受另一個神經(jīng)元的神經(jīng)末梢釋放的抑制性遞質(zhì)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(nèi)�？梢姴煌募�(xì)胞，甚至同一細(xì)胞的不同區(qū)域的細(xì)胞膜，在興奮時所產(chǎn)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(xì)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(nèi)外各種離子濃度的差別，表現(xiàn)出各種極性、幅值、頻率、相位不同的生物電現(xiàn)象。
在組織或器官上發(fā)生的生物電現(xiàn)象，大多數(shù)是個別細(xì)胞所產(chǎn)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(xué)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(chǎn)生的電變化與細(xì)胞的代謝活動有密切聯(lián)系，即是一種生物電化學(xué)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(nèi)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(jīng)細(xì)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(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活動有關(guān)的生物電化學(xué)現(xiàn)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?qū)蜃饔�。生物電更普遍的意義在于信息的轉(zhuǎn)換、傳導(dǎo)、傳遞與編碼。生物體要維持生命活動，必須適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。由于環(huán)境變化的因素與形式復(fù)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(zhuǎn)變成為同一種表現(xiàn)形式的信息，即神經(jīng)沖動，并經(jīng)過傳導(dǎo)、傳遞和分析綜合，及時作出應(yīng)有的反應(yīng)。高等動物具有各種分工精細(xì)的感受器。每種感受器一般只能感受某種特殊性質(zhì)的刺激。感受器中的感覺細(xì)胞接受刺激時會發(fā)生感受器電位，并用它來啟動神經(jīng)組織，產(chǎn)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(jīng)沖動。神經(jīng)沖動是“全或無”性質(zhì)的，即“通”、“斷”形式的信息。神經(jīng)沖動用頻率變化形式，傳遞信息到中樞神經(jīng)系統(tǒng)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)對信息進行分析、綜合、編碼，并將同時作出的反應(yīng)信息以神經(jīng)沖動形式傳向外周效應(yīng)器官。動作電位的傳導(dǎo)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(yīng)。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(yīng)用：
生物體內(nèi)廣泛、繁雜的電現(xiàn)象是正常生理活動的反映，在一定條件下，從統(tǒng)計意義上說生物電是有規(guī)律的：一定的生理過程，對應(yīng)著一定的電反應(yīng)。因此，依據(jù)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(dāng)把一定強度、頻率的電信號輸?shù)教囟ǖ慕M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(fù)其正常節(jié)律活動。應(yīng)用腦的電刺激術(shù)（EBS）可醫(yī)治某些腦疾患。在頸動脈設(shè)置血壓調(diào)節(jié)器，則可調(diào)節(jié)病人的血壓�！皺C械手”、人造肢體等都是利用肌電實現(xiàn)隨意動作的人－機系統(tǒng)。宇航中采用的“生物太陽電池”就是利用細(xì)菌生命過程中轉(zhuǎn)換的電能，提供了比硅電池效率高得多的能源�？梢灶A(yù)見生物電在醫(yī)學(xué)、仿生、信息控制、能源等領(lǐng)域?qū)粩嚅_發(fā)其應(yīng)用范圍。
【生物電的發(fā)現(xiàn)講解】相關(guān)文章：
導(dǎo)游講解的技巧01-22
導(dǎo)游講解技巧05-15
白蓮制作的方法講解12-17
中藥的歷史起源講解03-21
講解述職報告06-30
導(dǎo)游講解技巧【推薦】05-15
景區(qū)講解的就業(yè)前景03-22