年生物学上的重大发现－动作电位
今天是新中国成立70周年，年中华人民共和国成立，年在生物学史上有什么重大发现呢？要算重大发现，那就是动作电位的发现。
当然，一个重大的发现可能要经过几代人的努力，生物电的发现同样经过了几代人的努力。
什么是神经电生理，最初是如何发现并开始应用的，又怎样一步步发展成为当下的热门学科呢？
加伐尼电生理的发现
电生理的发现有两个相关传说。时间是遥远的18世纪，地点是意大利，人物是生理学家加伐尼（LuigiGalvani，-）。
传说一：一天上午他踱出书房，看到厨师把从市场上买回的新鲜青蛙肉挂在铁架上，准备晾晾做午饭，加伐尼来了兴趣，就上去摆弄那只剥了皮的青蛙，突然他发现当铜筷子的一端碰在铁架上，另一端接触青蛙的神经索时，蛙腿居然动了一下。
传说二：加伐尼在研究静电的时候，发现静电导致了青蛙腿的抽动。
无论怎样，这个不经意间的发现，产生了现代所谓的“电生理学”。
伏特的不同观点
伏特（Volta），我们中学所学的电压单位，便是以他的名字命名的。他也是一位意大利人，与加伐尼不同的是，伏特是一位物理学家。
他认为加伐尼的青蛙神经索中并没有电流，而是因为铁架子和铜筷子在青蛙体液中产生了金属电位差，从而产生的电流。为了验证他的想法，他用锌和铜交替放置，并在中间放上浸湿盐水的布，产生的一百多伏电压使人的手臂抽搐。
两位科学家对青蛙腿发生抽搐的原因有不同的看法，但也正是这样的分歧，成就了他们伟大的科学发现。膜学说法的建立
年，由于电流计的发明，不久后德国生理学家瑞曼（DuBoisReymond）在前人工作的基础上先后发现了肌肉动作电位和神经动作电位。
发现了更神奇的现象：神经细胞竟然用一个个非常短促的脉冲电位来传导信号，瑞曼把这种短脉冲称为“动作电位”。
他提出所有不损伤的神经或肌肉都存在有“静息电位”，并设想这是由于神经或肌肉表面有秩序地排列着一层带电粒子所致，当神经或肌肉因受刺激作用而兴奋时，由于带电粒子的流动而使原先的静息电位降低，便呈现“负波动”。这种观点被称为“先存学说”。
年，瑞曼的学生伯恩斯坦（JuliusBernstein）接受了德国化学家奥斯特瓦尔德（W.Ostwald）的膜通透性理论，支持发展了“先存学说”，并提出生物电发生的“膜学说”。
他依据细胞内液比细胞外液含有较多的K+，以及细胞损伤时电位较完好时低的事实，推测在静息状态情况下细胞膜内电位低于细胞膜外，并假定静息时细胞膜只对K+有通透性。由于带正电荷的K+顺浓度差向细胞外扩散，相应的负电荷仍留在细胞内，这样细胞膜两侧形成了“外正内负”的静息电位。
伯恩斯坦还猜想动作电位则是由于膜受到刺激时瞬间失去了对K+的选择性渗透，导致对所有离子都通透，使膜两侧的电位差瞬间消失造成的。
“膜学说”因有较严密的理论依据被多数人接受，但由于当时技术上的限制和未找到有效的实验材料，未能被实验验证。
年，英国解剖学家杨（J.Z.Young）找到了一个理想的试验材料－软体动物中的枪乌贼的神经。该神经具有直径可达1mm的轴突，这与一般脊椎动物轴突直径最大不超过0.02mm比起来，无疑是研究跨膜电位的极好材料。
枪乌贼的神经
离子学说的建立
年，英国生理学家霍奇金（SirAlanLloydHodgkin）和赫胥黎（AndrewFieldingHuxley）用他们发明的微电极技术和细胞内记录的方法测得枪乌贼神经细胞轴突膜两侧的静息电位相差60mV。更意外发现的是，在刺激时动作电位变化的幅度大大超过了零电位而达到了+30－50mV，这是“膜学说”无法解释的。
年，英国的生理学家Huxley在乌贼体内的巨大神经轴突上使用“电压钳”测试了静息电位和动作电位。电压钳是一种在细胞内放置两根电极的方法，用于抵消细胞“开、关”状态下的分子电流干扰，由美国科学家库尔发明。
年，霍奇金和英国生理学家卡茨（BernardSirKatz）对膜学说加以修正，提出“离子学说”。该学说认为，在静息状态下，神经膜主要是由K+扩散出膜外形成“内负外正”的静息电位。当神经兴奋时膜对Na+的通透性迅速增加，使膜外高浓度的Na+进入膜内，同时K+外流，这样就形成了“内正外负”的动作电位。
霍奇金还认为，产生动作电位后，细胞膜仍然要恢复到原来的静息状态，这就需要将流入细胞内的Na+重新转运到细胞外，由于Na+从质膜内运出质膜外是逆浓度梯度运输，需要消耗能量，因此需要钠泵来转运。他还进一步推测，逆浓度运输的钠泵是需要消耗ATP的，抑制ATP的合成会抑制钠的逆浓度转运。
此后，丹麦生理学家斯科（JensC.Skou）等人发现了细胞膜上存在钠—钾泵。钠－钾泵是一种钠－钾依赖ATP酶，能分解ATP释放能量，用于将膜外的K+运进细胞，将膜内的Na+运出细胞。细胞内K+浓度高，细胞外Na+浓度高，正是由钠－钾泵维持的。
电生理的发展－膜片钳技术
德国科学家Neher和Sakmann创建了膜片钳技术。
这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的或多个的离子通道分子活动的技术。
膜片钳技术是用玻璃微电极吸管把只含1－3个离子通道、面积为几个平方微米的细胞膜通过负压吸引封接起来，由于电极尖端与细胞膜的高阻封接，在电极尖端笼罩下的那片膜事实上与膜的其他部分从电学上隔离，因此，此片膜内开放所产生的电流流进玻璃吸管，用一个极为敏感的电流监视器（膜片钳放大器）测量此电流强度，就代表单一离子通道电流。
膜片钳技术示意图
膜片钳技术的建立，对生物学科学特别是神经科学是一具有重大意义的变革。这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的（或多个）的离子通道分子活动的技术。两位科学家由此获得了年诺贝尔生理学与医学奖。目前膜片钳技术在神经（脑）科学、运动生理等学科领域研究将会为大家带来更为新奇的医学应用，从而造福人类。
完
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