膜片钳——打开细胞奥秘的钥匙（上）

俗话说，“没有金刚钻，你就不需要瓷器。”创造和使用工具是人类独有的能力。一些工具塑造了我们的文化，比如筷子。一些工具繁荣了我们的经济，比如电脑。其他工具可以用四个词来概括——没有它。

膜片钳就是这样一种“离不开它”的工具。

(膜片钳系统，照片来源:merc.ac.cn)

灵气

18世纪末，学者们积累了大量的生理学知识。他们知道人体是由细胞组成的，细胞有不同的类型。每种细胞都有自己独特的功能。那么，这些细胞是如何组成人体的呢？把一堆细胞倒进桶里肯定不会变得不合适，是吗？

(银河卫士2中的格鲁特，照片来源:douban.com)

换句话说，神经细胞到底是如何控制肌肉的？

当时流行的理论是“灵气理论”。“灵气理论”来自“灵魂理论”。两者本质上是相同的，都相信动物有一种特殊的能量。有了它，生命就可以出现；没有它，不管细胞有多少，它们只是一堆腐烂的肉。

辩论

真相是由一场争论引发的。

意大利医生路易吉加瓦尼在一次实验中意外发现，金属剪刀在接触青蛙腿时会产生电火花，同时青蛙腿也会抽搐。他用各种金属重复实验，结果表明只要两种不同的金属与青蛙腿接触，就会产生电流，青蛙腿就会抽动。

据此，加尔瓦尼认为动物体内有一种特殊的电流。这种电流就是人们以前一直在寻找的“光环”，他称之为“生物电”。当金属接触动物细胞时，电荷转移到金属上。因此，当两种金属相互接触时，就会产生电流。

(加尔瓦尼，照片来源:wikipedia.org)

加尔瓦尼的实验传到了物理学家亚历山德罗·沃尔塔的耳朵里，引起了他的极大兴趣。伏打重复了加尔瓦尼的实验并提出了另一种解释:在电解质中，两种不同的金属可以产生电流；这种电流会导致肌肉细胞收缩。换句话说，改变金属的不是“生物电”，而是金属产生的电流改变了细胞。

(沃尔特，照片来源:wikipedia.org)

为了验证他的理论，伏打制造了人类历史上第一个电化学电池——金属和电解质的伏打电池。为了纪念他的贡献，人们仍然用伏特来表示电压。

运气

加尔瓦尼和沃尔特之间的争论不仅奠定了电生理学的基础，而且开启了多学科合作的新时代。到19世纪初，学者们已经证实没有“生物电”，生物体内的电流和自然界的电现象之间没有本质的区别。神经细胞依靠电流来控制肌肉。

那么，神经细胞是如何发电的呢？

"如果一个工人想做好工作，他必须首先磨利他的工具."为了研究细胞，学者们发明了显微镜。为了测量电流，我们可以买一台万用表。当时的生理学家计划向神经细胞进军时，他们发现根本没有工具，感到很尴尬。

因为神经细胞太小了。

为了观察神经细胞的电流，必须保持神经细胞的活性。也就是说，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。我们在哪里能找到这样小的电极？

这一突破是由两个人完成的。

1936年，英国动物学家约翰·杨偶尔发现鱿鱼的神经非常庞大，达到毫米级。

(鱿鱼的巨大神经)

(凌宁)[3]

科学没有尽头。为了实现未来，请注意膜片钳——打开细胞秘密的钥匙(第二部分)。

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参考

吴建勇。[鱿鱼中的巨型神经和神经信号的秘密。物理学，2013，42(08):580–588。

[2]一只乌贼是如何建立实验室、营救博士生并获得#诺贝尔奖的？[电子商务/其他职等]。[2017-021]。http://weibo.com/ttarticle/p/show? id = 2309404100427758080424。

[3]布雷塔格·阿·赫.玻璃微管电极:其发明者和使用者的历史到1950年[J]。普通生理学杂志，2017，149(4):417-430。