膜片钳——打开细胞奥秘的钥匙(上)

作者:赵言昌来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-05

膜片钳,是一种“没它不行”的工具。它为何如此重要,又是谁发现的呢?

  俗话说:“没有金刚钻,不揽瓷器活。”创造和使用工具,是人类独有的能力。有的工具塑造了我们的文化,比如筷子;有的工具繁荣了我们的经济,比如计算机;还有的工具,用四个字概括就可以了——没它不行。

  膜片钳,就是这样一种“没它不行”的工具。

(膜片钳系统,图片来源:merc.ac.cn

灵气

  18世纪末,学者们已经积累了很多的生理知识。他们知道人体是由细胞组成的,而细胞有不同的类型,每一种类型的细胞,都有着自己独特的功能。那么,这些细胞是如何组成人体的呢?把一堆细胞倒入木桶,肯定长不出格鲁特,是吧?

(《银河护卫队2》里的格鲁特,图片来源:douban.com)

  换句话说,神经细胞究竟是如何控制肌肉的?

  当时流行的理论,是“灵气说”。“灵气说”来源于“灵魂说”,二者实质上是一样的,都认为动物内存在一种特殊的能量。有了它,生命才能出现;没有它,再多细胞也不过是一堆腐肉。

争论

  真相,是由一次争论引发的。

  意大利的医生伽伐尼(Luigi Galvani)在一次实验中,偶然发现,金属剪刀接触青蛙腿,可以产生电火花,同时,蛙腿会抽搐。他用多种金属反复实验,结果发现,只要用两种不同的金属接触蛙腿,就能产生电流、引起蛙腿抽搐。

  据此,伽伐尼认为在动物体内,存在一种特殊的电流。这种电流,就是之前人们苦苦寻找的“灵气”,他称之为“生物电”。当金属接触动物细胞时,电荷被转移到金属上,因此,两种金属互相接触,就会产生电流。

(伽伐尼,图片来源:wikipedia.org

  伽伐尼的实验,传到了物理学家伏打(Alessandro Volta)的耳朵里,引起了伏打的极大兴趣。伏打重复了伽伐尼的实验,提出了另一种解释:在电解液中,两种不同的金属,可以产生电流;这种电流,会引起肌肉细胞的收缩。也就是说,并不是“生物电”改变了金属,而是金属产生的电流改变了细胞。

(伏打,图片来源:wikipedia.org

  为了验证自己的学说,伏打用金属和电解液制造了人类历史上第一种电化学电池——伏打堆。为了纪念他的贡献,人们至今仍然用伏特(volt)表示电压。

运气

  伽伐尼和伏打的论战,不仅奠定了电生理学的基础,而且开启了多学科协作的新时代。到了19世纪初,学者们已经证实,不存在什么“生物电”,生物体内的电流和自然界中的电现象,并没有本质区别;而神经细胞,正是依靠电流,控制肌肉的。

  那么,神经细胞是怎么产生电流的呢?

  “工欲善其事,必先利其器。”为了研究细胞,学者们发明了显微镜;要想测量电流,我们可以去买一个万用表。当时的生理学家们打算向神经细胞进军的时候,却尴尬发现,根本没有工具可用。

  因为,神经细胞实在是太小了。

  要想观察神经细胞的电流,必须保持神经细胞的活性。就是说,插入神经细胞的电极,必须比神经细胞小得多,以免损害神经细胞的正常生理活动。然而,神经细胞通常只有几十微米大小,上哪找那么小的电极去呢?

  突破是由两个人完成的。

  1936年,英国动物学家约翰·杨(John Young)偶尔发现,鱿鱼的神经堪称巨大,达到了毫米级别。[1]

(鱿鱼巨大的神经)[2]

  1949年,中国生理学家凌宁(Gilbert Ning Ling),通过反复试验,完善了相关条件和技术,成功用玻璃微管拉制出了直径小于0.5微米的电极。[3]

图片6

(凌宁)[3]

        科学是没有止境的,欲知后事,敬请关注《膜片钳——打开细胞奥秘的钥匙(下)》。

-------------------------------------------------

        参考文献

        [1] 吴建永. 鱿鱼巨大神经与神经信号的秘密[J]. 物理, 2013, 42(08): 580–588.

        [2] 一条鱿鱼,是怎样建立实验室、解救博士生、获得#诺贝尔奖#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.

扫码加蝌蚪五线谱微信