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生物电的发现讲解
电无处不在，生活缺少不了电，那么还有一种电不知道大家有没有听过，下面是小编整理的生物电的发现讲解，希望对你有所帮助！
科学家在探索生命奥秘的路途中，下面列出的几位为生物电的发现和证实作出了重要的贡献。值得一提的是，从一个科学家所特有的敏感性和理性，早就有人认识到生命与电的同一性，也就是我们开始倡导的生命的电本质论。
刺激神经肌肉标本的神经干，虽然肉眼看不出变化，却可引起肌肉收缩，这说明刺激神经引起了神经的兴奋，而神经的兴奋是可传播的，传到肌肉引起肌肉兴奋而发生收缩。这种可传播的神经的兴奋生理学称为神经的冲动（impulse）。肌肉收缩是神经冲动的间接表现。神经冲动的直接表现是动作电位（actionpotential）。生理学家研究神经肌肉标本的动作电位已有一百多年的历史，而对生物电的研究还可以追溯到更早的时期。公元前三百多年亚里士多德（Aristotle，公元前384—公元前322）观察到电鳐（Torpedo）在捕食时先对水中动物施加震击，使之麻痹。古希腊古罗马人曾用黑电鳐（Torpedonobiliana）的震击治疗风痛、头痛。但是直到18世纪电学的一些基本规律被发现以后，人们才逐步认识动物放电的性质。1769年E．N．Boncroft指出电鳐和电鲇都能放电，并将它们的放电力与莱顿瓶组的放电力相比较。1772年J．Walsh发现了电鲇放电的部位。不过那时对动物电的认识只限于少数几种电鱼，并不了解其他的动物体内也有电。1791年是一个转折点，这一年LuigiGalvani（1737—1798）出版了他的名著《Commentary》，指出神经具有内在形式的电。1786年Galvani发现，如用两种金属组成的回路把新制备的蛙的神经肌肉连接起来，马上会使肌肉搐搦、抖动。
Galvani根据这一现象认为，蛙体内存在神经电流体，通过神经使肌肉组织像莱顿瓶一样充电，肌肉内外带有不同性质的电荷，可以放电，金属导线只起接通的作用。AlessandroVolta（1745—1827）在1792年成功地重复了Galvani的实验，但他不赞成Galvani的解释。他认为Galvani实验中的电源不是神经肌肉组织，而是由两种金属组成的回路本身，因为在两种不同的金属接触时，产生了人工电。这两位科学巨人的意见针锋相对，引发了一场有意义的学术争论。Volta认为Galvani发现的每种现象都应该用双金属电流来解释，而Galvani则相信自己的每一个例证中的电都是动物组织产生的。他们各自进行实验来检验自己的意见。Volta在Galvani实验的启发下，进行了一系列的实验，建立了金属接触电动势理论，从而发明了后人以他的名字命名的Volta电池，这是人类第一个产生稳定电流的电源。Galvani为了答复Volta的责难，在1794年设计了一个不用任何金属的实验来证明动物电的存在。他和他的侄子Aldini把一条蛙肌直接与相连的神经接触，引起了肌肉收缩。
如果有人告诉你，你的身体带电，你或许会很惊讶吧？其实，电在生物体内普遍存在。生命过程的实质就是电子传递过程，特别是能量转换、神经传导、光合作用、呼吸过程均与此有关。尽管200多年前，生物学家就知道神经冲动能传导电子。但是，在较长的一段时间内，有关生物电的研究并未取得长足的进步直到近几年来才有了一些新的突破。
无处不在的生物电现象
生物电是活组织的主要特性之一。人体某一部位受到刺激后，感觉器官就会产生兴奋。兴奋沿着传入经到达大脑，大脑便根据兴奋传来的信息发出指令；然后传出神经将大脑的指令传给相应的效应器官，从而产生相应的动作。这一过程传递的信息——兴奋，就是生物电。也就是说，感官和大脑之间的刺激反应主要是通过生物电的传导来实现的。事实上，不仅是神经冲动能传导电子，在人体里进行的几乎每个生理过程都与生物电有关，如心脏跳动、肌肉收缩、大脑思维等。
有些动物具有很强的生物电。比如，生活在非洲尼罗河中的电鲶，在受到惊吓或捕食时能迅速放电，产生400～500伏电压。生活在南美洲亚马孙河里的电鳗，更是一个电击高手。它们若受到惊吓或捕食，能产生300～800伏，甚至1000伏左右的电压，足以电死一头牛，因此赢得了“河中魔王”的称号。
植物体内同样有生物电的存在。最为著名的例子当属含羞草。当人手指碰到含羞草的叶片时，它便羞答答地“垂首低眉”。这是因为当含羞草的叶片受到刺激后，会立即产生电流，电流沿着叶柄传到叶片底座上的球状器官，引起球状器官的活动，而它的活动又带动叶片活动，使得叶片闭合。不久，电流消失，叶片就恢复原状。
此外，还有许多生活在大海深处的生物，它们能把化学能转化为电能，在黑暗中发出光亮。比如，生活在海洋深处的虾类、鱼类，大约有70％的品种能发光。因此，夜慕降临时，在海洋的一些区域，一盏盏生物灯大放异彩，形成一幕极为壮观的”灯市夜景”。
生物电从哪里来
最早记录生物电现象的是18世纪末的意大利解剖医学家及物理学家路易·伽伐尼。有一次，当他在解剖一只青蛙时，发现当金属刀的刀尖碰到青蛙腿上外露的神经时，蛙腿发生了抽搐现象。于是，伽伐尼创造了术语“动物电”来描述这个现象，并由此认为肌肉活动是由电流或者是神经里的物质引起的。
生物电的科学解释是指生物细胞的静电压，以及在活组织中的电流，如神经和肌肉中的电流。生物细胞用生物电储存代谢能量，用来工作或引发内部的变化，并且相互传导信号。
生物学家认为，组成生物体的每个细胞都像一台微型发电机。一些带有正电荷或者负电荷的离于如钾离子、钙离子、钠离子、氯离子等，分布在细胞膜内外，使得细胞膜外带正电荷，膜内带负电荷。当这些离子流动时就会产生电流，并造成细胞内外电位差。
生物电通常都很微弱，比如，人的心脏跳动时，会产生1-2毫伏的电压，眼睛开闭时，会产生5-6毫伏的电压；读书或思考问题时，大脑会产生0.2-1毫伏的电压。当然，也有不少生物瞬间能产主非常大的电压，如前面提到的电鲶、电鳗等。
正因为通常状态下生物电的电压很低、电流也很弱，所以只有用精密的仪器才能测量到。直到20世纪初，荷兰生理学家威廉·艾因索维才在前人的基础上完善了用来测量生物电的电流计，研制出了第一台实用的心电图仪。
随着科技的发展，现在有了越来越精确地测量生物电的仪器。生物电测量在医学上的广泛应用大大促进了疾病的临床诊断，如用心电图仪测量心电图，用脑电图仪测量脑电图，它们在诊治疾病过程中起到了很重要的作用。
生物电的学说：
企图用一种学说去解释各种生物体中所出现的各种不同的电现象是不可能的。不过，在动物体上，特别是在神经系统或肌肉系统中所发生的各种电现象，基本上可以用A.L.霍奇金与A.F.赫胥黎提出的离子学说，从细胞水平加以解释。
离子学说是在J.伯恩斯坦（1902）提出的膜学说的基础上发展而成的。离子学说认为，神经或肌肉的细胞膜，对不同的离子具有不同程度的通透性。又由于细胞内的各种离子浓度，特别是钾离子、钠离子和氯离子，与细胞外液中的浓度不同，因此，在细胞膜内外两侧间就会产生电位差（根据F.G.唐南氏平衡原理）即膜电位。这是静息电位的基础。在不同的生理条件下，细胞膜对各种离子的通透性将发生变化，因此膜电位也即发生改变，即形成各种形式的动作电位。例如，在静息状态下，神经或肌肉细胞的细胞膜对钾离子具有较大的通透性，而细胞内的钾离子浓度高于细胞外的浓度几十倍，因而形成几十毫伏的膜外较膜内正的静息膜电位。当改变细胞外（或细胞内）的钾离子浓度时，静息膜电位将按能斯脱（Nernst）公式的关系，发生相应的改变。这就证明了静息膜电位决定于细胞内外钾离子浓度的观点。有些植物细胞的静息膜电位，也是由细胞内外钾离子的浓度所决定的。当神经或肌肉细胞发生兴奋时，细胞膜对各种离子的通透性发生了变化，即对钠离子的通透性突然增大，并在各种离子的通渗性中占优势地位。因此在这瞬间内，膜电位的大小与极性，主要决定于细胞膜内外的钠离子浓度。由于细胞外的钠离子浓度较细胞内高，因此，在短时间内膜电位突然由膜外较膜内正变为膜内较膜外正，即出现反极化现象。此时电位变化的幅度（去极化后再成反极化）可达100毫伏以上，这就是动作电位。但这时仍有不同于静息状态下的膜电位，称为动作膜电位。
动作电位所在的区域，即兴奋冲动所在的区域，会迅速地向前传导。兴奋冲动在某一区域出现的时间极短，只有几毫秒。当兴奋冲动过去以后，这一区域的膜电位又逐渐恢复到原来的静息状态，即恢复静息膜电位。
在不同的细胞上，甚至在同一个细胞的不同区域的细胞膜上所发生的通透性变化并不完全一致。例如，脊椎动物视网膜中的视细胞，在受光照刺激时所产生的反应是膜电位升高（超极化）。但是，无脊椎动物视网膜中的视细胞，受光照刺激时所产生的反应是膜电位降低（去极化）。又如，在同一个脊髓运动神经元轴突的膜上，兴奋时所表现的是去极化甚至反极化反应。但在同一个运动神经元的兴奋性突触后膜上，当接受另一个神经元的神经末梢释放的兴奋性递质时，虽然也产生去极化反应，但这时所发生的离子通透性变化却与轴突上所发生的不同。兴奋性突触下膜兴奋时，对钠离子的通透性不是单独的突然增加，而是对各种离子的通透性普遍地增加，所以它并不出现反极化（膜内较膜外正）的状态。在同一个运动神经元的抑制性突触后膜上，当接受另一个神经元的神经末梢释放的抑制性递质作用时，情况另是一样。抑制性突触下膜兴奋时对钾离子与氯离子的通透性增高，使膜电位超极化，则膜外更正于膜内。可见不同的细胞，甚至同一细胞的不同区域的细胞膜，在兴奋时所产生的膜电位变化是不相同的。
总的来说，无论是静息膜电位或各种动作膜电位变化，都可以用细胞膜对各种离子通透性的不同来解释。由于通透性的不同变化，膜内外各种离子浓度的差别，表现出各种极性、幅值、频率、相位不同的生物电现象。
在组织或器官上发生的生物电现象，大多数是个别细胞所产生的生物电的矢量总和，所以对它的发生机制同样可以用离子学说去解释。但有些生物电变化的时间过程极缓慢，如光合作用时所产生的电变化与细胞的代谢活动有密切联系，即是一种生物电化学电位。在大脑皮层上还可以检测出一些极缓慢的电位波动，有的在1分钟内波动几次，有的几分钟甚至几十分钟才有明显的变化。这种电位与快速的神经细胞兴奋活动不同，也可能是一种由代谢活动所引起的或与神经胶质细胞活动有关的生物电化学现象。
生物电的意义：
电鱼能在瞬间放出高压电，所以既有防御猎食者侵犯的作用；也可用这种电击捕获小动物。另有一些电鱼，如非洲的裸背鳗鱼类，能不断地释放微弱的电脉冲，起探测作用或导向作用。生物电更普遍的意义在于信息的转换、传导、传递与编码。生物体要维持生命活动，必须适应周围环境的变化。由于环境变化的因素与形式复杂多变，如变化的光照、声音、热、机械作用等等，因此生物有机体必须将各种不同的刺激动因快速转变成为同一种表现形式的信息，即神经冲动，并经过传导、传递和分析综合，及时作出应有的反应。高等动物具有各种分工精细的感受器。每种感受器一般只能感受某种特殊性质的刺激。感受器中的感觉细胞接受刺激时会发生感受器电位，并用它来启动神经组织，产生动作电位。因此，不同的刺激动因都变成了同一形式的神经冲动。神经冲动是“全或无”性质的，即“通”、“断”形式的信息。神经冲动用频率变化形式，传递信息到中枢神经系统。中枢神经系统对信息进行分析、综合、编码，并将同时作出的反应信息以神经冲动形式传向外周效应器官。动作电位的传导极为迅速，所以生物体能及时对周围环境变化，作出迅速的反应。这一系列的信息传递都是以发生各种形式的生物电变化来完成的。
生物电的应用：
生物体内广泛、繁杂的电现象是正常生理活动的反映，在一定条件下，从统计意义上说生物电是有规律的：一定的生理过程，对应着一定的电反应。因此，依据生物电的变化可以推知生理过程是否处于正常状态，如心电图、脑电图、肌电图等生物电信息的检测等。反之，当把一定强度、频率的电信号输到特定的组织部位，则又可以影响其生理状态，如用“心脏起搏器”可使一时失控的心脏恢复其正常节律活动。应用脑的电刺激术（EBS）可医治某些脑疾患。在颈动脉设置血压调节器，则可调节病人的血压。“机械手”、人造肢体等都是利用肌电实现随意动作的人－机系统。宇航中采用的“生物太阳电池”就是利用细菌生命过程中转换的电能，提供了比硅电池效率高得多的能源。可以预见生物电在医学、仿生、信息控制、能源等领域将会不断开发其应用范围。
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