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作者:老牛老虎

在经历了轰轰烈烈的第六次“地球一小时,熄灯六十分”活动后,是否会有人突发奇想,为了保护共同的地球,更为了延缓寿命,也来个“地球一小时,身体六十分”,短暂停止自身的生物电,真正身体力行,脚踏实地为降低碳排放作点贡献呢?

且慢!且慢!生物电并不那么简单!

此电非彼电?让我们一探生物电的奥秘。

人类对生物电的观察和研究,要追溯到史前古埃及有关电鱼击人的记载。公元四五十年间,罗马帝国时代,就曾有过电鱼医治头痛病。

电生理学,是一门研究生物电特征和功能的专业学科。究其起源,还得从十八世纪末期的一场蛙腿大论战谈起。

1798年一天下午,意大利北部,帕维亚(Pavia)大学学术大厅里,一场由蛙腿实验引起的辩论正在进行,台下高朋满座,台上发言踊跃。嘉宾一方是来自意大利北部博洛尼亚(Bologna)大学的伽伐尼教授(Luigi Galvani),主人一方是帕维亚大学伏打教授(Alessandro Volta)。

这是一场,伽伐尼PK伏打,动物电 PK 接触论的论战。

伽伐尼教授理性而执着,观点鲜明。一,存在动物电,正是动物电引起蛙腿肌肉收缩;二,存在有三种电形式,即自然电,如雷电;人工电,如摩擦生电;还有就是引起蛙腿肌肉收缩的动物电;三,动物电流由大脑分泌,经神经运送,刺激肌肉产生收缩。

伏打教授睿智而自信,针锋相对。一,是不同金属相接触产生电,引起肌肉收缩,而不是动物电;二,只存在一种电形式,即摩擦生电,金属电是摩擦生电的一种;三,用不同金属构建成电堆,即伏打电堆,可以持续产生电,这就是接触理论的证明。

观战的听众聚精会神,目不转睛。论战的双方唇枪舌剑,你来我往。两位教授对实验结果做出了完全不同的解释。 1790年代前后,蛙腿实验和动物电的神奇故事一直为意大利人,以至全欧洲人津津乐道。

一场论战,意义深远。奇葩两朵,先表一枝。

动物电的提出者伽伐尼教授,1737年出生在意大利北部博洛尼亚市(Bologna)的一个金匠人家。他的家庭并不是贵族,但能供得起其中的一个儿子去深造。起先,伽伐尼是希望进入教会,入职神职机构。伽伐尼到了15岁,按照规则,正要进行宗教宣誓时,被放下活计,身着工装,匆匆而来的老爹拉回家中。随后,少年伽伐尼郁闷告别了神学殿堂,懵懵走上了医学道路。当伽伐尼步入暮年,他深情表白,“幸运的是,我听从父亲的劝告。”

1755年,18岁的伽伐利进入博洛尼亚大学理工学院攻读医学课程。开始临床医师的学习,他注重外科学的理论与实践。正是这一经历使得他对动物实验得心应手,解剖手法娴熟老到。

然而,伽伐利却总是对电有着极大的兴趣。在他的那个时代,议论电,是为时尚;研究电,蔚然成风。要知道,为电的魅力所吸引,就有远在大西洋彼岸美国人本杰明·富兰克林,伟大的科学家和发明家,政治家、哲学家等等,这位牛人,实在是积多家于一身。富兰克林比伽伐利年长31岁,钟情于电。据说有过在乌云密布,雷声滚滚的旷野,用风筝收集雷电的疯狂壮举。就在美国费城,至今还耸立着由其设计安装的世界上第一个避雷针。本文的另一位主角伏打教授,年少伽伐尼8岁,更是痴迷于电。当他还是一名大学小男生的时候,就曾用拉丁文写下了一首小资情诗来赞美他朝思暮想的那个电。这时候距爱迪生正式发布电灯的发明,获得电灯发明专利权的1880年,人类还有120年多年的路程要走。

持电流概念和动物电理论的伽伐尼

言归正传,1759年,伽伐尼得到了医学和哲学学士学位。他申请了该大学的讲师职位。1762年他以论文《关于骨骼形成和发展的机理》获得了博士学位,他成为该大学的永久解剖学家,该大学理学院的签约解剖学讲师,并签约为外科学荣誉讲师。

就是这个1762年,对于25岁的伽伐尼来说,注定是非常重要的一年。这一年不仅仅是他通过了学位论文,也不仅仅是他获得了新的工作职位,更是他迎娶了爱妻露西娅(Lucia Galeazzi),博洛尼亚理学院著名教授,他的解剖学指导老师(Gusmano Galeazzi)的漂亮女儿。于是,伽伐尼搬入老丈人家,安家落户。于是,伽伐尼帮助老师,作起了比较解剖学研究。他们在一起持续了多年的鸟、四肢动物和人类的听觉系统研究。后来,恩师于1775年逝世。

随后几年里,伽伐尼成为理学院的外科学、内科学和产科学教授,并于1772年担任了博洛尼亚大学理学院的院长,其研究领域从解剖学转入了生理学。

幸福的日子过的就是快!转眼间,就到了1780年。

伽伐尼回忆说,就在这一年的一个忙碌日子里,我的两位学生正在实验室作动物实验,青蛙下肢已经分离。我的妻子露西娅患了讨厌的感冒,已经好长时间了。我劝她多增加一点营养,就想用蛙肉为她做汤。我亲自分解实验后的青蛙,想找出好点的蛙肉来。

就在此刻,发生的两件事令人惊奇不已,也让我停住手脚。我的一名学生在手持手术刀,接触到暴露在外的,从脊骨的下端通向青蛙腿部的神经的时候,眼前闪过一道电火花。与此同时,蛙腿立即颤动,腿部踢起,如同剧烈的抽搐一般。居然,蛙腿的肌肉全都在收缩,表现为强直性的痉挛。

在场的人惊讶了。其中一个学生大叫:“青蛙活了!”

【“青蛙活过来了”】

惊悚的现象,神奇的特性,伽伐尼震撼了!未知的理论,诱人的挑战。此等机遇,岂容放过?!在生命的后二十年里,伽伐尼一直在为揭示这一现象的奥秘而努力。

伽伐尼的研究分几个阶段,重复这一实验;摸索产生蛙腿收缩的条件,包括替代条件;参考外界的质疑,重新设计实验;基于实验观察,提出动物电假说。

首先,伽伐尼把这个实验一再重复,同样的现象被观察到了。

伽伐尼与妻子露西娅分享着由此而来的兴奋与激动。名门闺秀就是不一般,露西娅始终鼓励伽伐尼独创性探索。研究出现难题时,她是顾问;蛙腿实验进行时,她是帮手。

伽伐尼注意到,在蛙腿实验中,肌肉收缩,电火花的出现,相信这些现象是由电而引起。伽伐尼想方设法得到一台静电发生器和一只莱顿瓶,分别用于产生和储存静电,想当年,这些可都是高档且昂贵的实验仪器。实验中采用了电刺激,电火花明显了,蛙腿抽搐强烈了。

伽伐尼分析,金属接触蛙腿,和起电机(静电发生器)的电火花相碰撞,就是造成蛙腿抽动的原因。他想既然静电发生器放电(人工电)能使蛙腿抽动,那么雷电(自然电)是否也会使蛙腿抽动呢?在一个雷电交加的下午,他把实验搬到屋顶露天阳台上,当他把蛙腿用铜钩挂到庭院的铁栏上时,肌肉照样收缩,蛙腿抽搐现象仍然出现。

【露天阳台实验】

雷电能引起肌肉收缩,他想若在晴天没有雷电时蛙腿是否也会抽动呢?于是他找到了一个密封的房间,也就是没有“大气电”(atmospheric electricity)了,将蛙腿放在铁板上,用铜丝接触它,结果象以前一样,蛙腿发生了痉挛性收缩。这就排除了“大气电”的可能性。

两种不同的金属与蛙腿神经和肌肉接触,蛙腿也能抽动?于是伽伐尼设计了

由两种不同金属构成的金属弧(metallic arc)。金属弧的一端连着蛙神经,另一端连着肌肉,不出所料,蛙腿肌肉依然收缩。

由同种金属构成的金属弧,来接触蛙腿神经和肌肉,蛙腿肌肉还会收缩吗?答案是肯定的。这一实验结果,引发了伽伐尼更深入的思考。

【使用金属弧作蛙腿实验】

伽伐尼还想到,两种不同的金属接触蛙腿神经和肌肉,蛙腿就会抽动,那么用两种不同的非金属来接触,蛙腿是否也会抽动呢?于是他尝试用诸如玻璃、松香、橡胶、石头、干木炭等来代替金属导体进行实验,结果蛙腿并未发生抽动现象。

固态的金属能引起蛙腿反应,液态的金属能否?伽伐尼用液态金属水银来接触,也引起肌肉收缩。

今天这一电刺激蛙肌收缩实验,早以为“蛙坐骨神经复合动作电位的测定”所替代,是为最最经典的电生理学实验了。

经过长达十一年的蛙腿实验后, 伽伐尼的论文《论肌肉运动中的电作用》于1791年首次公开发表。在论文中,他公布了蛙腿实验的步骤、实验的过程以及实验的结果。论文阐述了他关于“动物电”假说,伽伐尼推断,这种“动物电”是,在受到刺激后,由大脑分泌出的“流”,正是这种“流”通过神经传导,到达局部位置,激活肌肉功能,产生收缩、抽搐。神经是外部电位微小变化的探测器,而动物的组织和流体必然本身是拥有电的,这种动物电不同于闪电这样的“自然”电,也不同于静电发生器产生的“人工”电。

震撼人心的实验,极具逻辑的推理,众多科学人士由衷地认识了伽伐尼的电流概念和动物电理论。

可也有科学家不认同关于动物电的假说,提出了质疑,伏打教授就是其中之一。于是伽伐尼1794年在意大利再发论文《关于肌肉收缩中传导弧的活性和应用》,为其立场作辩护。

论文提供新的实验观察,发现在完全没有金属参与的条件下,当一神经标本直接搭在损伤的肌肉上时,可以引起肌肉发生收缩。伽伐尼认为,这一实验有力地证明了生物电的存在。他还依据某些鱼类(电鳐、电鳗)有动物电的现象,推测蛙腿中也是有动物电的。动物是有生命力的,动物电就是生命力的表现。

后来,伽伐尼疲于论战,不愿再将精力花费在这样的纷争中,安排自己的侄儿继续开展相关的实验研究,委托其作相应的辩解。而他继续集中精力于教学,以及产科和外科等临床工作,他天性严谨,认真医治每一位前来寻求帮助的患者,并只按照病人的支付能力收取部分费用。

1797年,随着拿破仑的军队占领意大利的北部,并建立起新的共和国,学校根据当局指令要求每位教授签署一个文件,这就违背了伽伐尼教授的良心。作为一个执着、正直的人,他拒绝了占领者要求他作口头宣誓效忠的要求,随后被迫解职。最后,被剥夺了教授职位,还失去了养老金,没有了生活来源。

特别是他那心心相印,一直支持他,鼓励他的妻子,他恩师的女儿,露西娅已于1790年逝世,留下孤苦伶仃的伽伐尼。

他只得向其兄弟(Giacomo)寻求庇护。一时间,贫病交困,重重打击落在心头。悲切切,饥寒交迫,身心健康每况愈下。

伽伐尼的朋友们,四处奔走,多方呼吁,想方设法为其争取豁免口头宣誓效忠,并且能以退休教授的身份回到学校。而政府当局则虑及其崇高的科学声望, 惧怕来自黎民百姓的呼声,不得不试图为其恢复职务。但,一切都太迟了,就在相关签约生效前夕,伽伐尼教授带着对动物电的痴迷,带着对至亲爱人的眷恋,带着“研究尚未成功,侄儿乃须努力”的期盼,永远地离开了人世。这一年,他61周岁。

持金属电和接触理论的伏打

再说金属电和接触理论的提出者伏打教授。同为意大利人的伏打,1745年出生在意大利北部科莫市(Como)的一个贵族家庭。他比伽伐尼年轻八岁。少年伏打也想成为牧师,但他更钟情自然科学,热爱电,遂毅然决然走上科学道路。伏打生性开朗,乐于交友。一生之中,特别是成名后,多次游学,遍访几乎全欧洲的顶级科学家,观摩切磋,交流信息,分享创意。

1768年,当时还只有24岁的伏打第一篇论文打动了招聘单位,使他获得第一份工作--成为家乡预科学校一名物理教师。青年伏打对新科技有着天生的敏感,在读了北美洲的大科学家富兰克林的专业论文后,立马行动为科莫安装了第一个避雷针,并很快带动意大利,乃至整个欧洲都安装起避雷针。

1774年他设计了起电盘(electrophorus),这是一种能产生静电的装置。由于起电盘的发明,伏打担任了科莫皇家学院(The Royal School in Como)的物理学教授,1777年,他投入气体化学的研究,发现并分离了沼气。接着又发明在封闭管道内,用电火花点燃气体的实验,这大概就是今天还在我们家家户户燃气灶上,啪啪作响点火装置的老祖宗了。

1779 年,他成为帕维亚大学物理学教授。青年科学家伏打,成绩斐然,春分得意。

在1780年代中后期,伽伐尼就把蛙腿实验的奇异现象,在论文发表前,就通过信函向好朋友,电学专家伏打教授作了介绍。神奇的实验引起过伏打的注意,蛙腿实验的内容“超出了当时已知的一切电学知识,因而它们看来是惊人的”。到了1791年,伽伐尼的相关论文《论肌肉运动中的电作用》公开发表了,蛙腿实验再次深深触动了伏打教授。历史的机遇垂青有备之人,在电学、物理学和化学诸领域有着很深造诣的著名教授,对科学技术新事物有着天性敏感的杰出学者,伏打先生行动起来了,人类历史上一项极具意义的重大发明就此拉开了帷幕。

伏打,他决定先从重复蛙腿实验开始。

初时,那双操作起仪器设备来,灵巧自如的双手,耍弄起手术刀来,却显得笨拙无措。功夫不负有心人,做着做着,就熟练起来。做着做着,却产生出和伽伐尼不一样的想法。实验结果排除了大气电、雷电和静电发生器的影响。但蛙腿收缩就是如伽伐尼所推论的“动物电”的作用?伏打从实验观察推断,肌肉收缩是与两种不同金属所制成的手术刀与实验台的接触有关。

伏打甚至设计了一个有趣的实验,将两块不同金属放入伽伐尼的口中,并询问是感觉到酸,还是感觉到咸。结果呢,伽伐尼说,这实验反倒是肯定了“动物电”的存在;伏打则说,我的舌头实验并不是来测试你的动物电理论的存在,而是把舌头当作一个原始的验电器来测定电的强度,如同蛙腿肌肉一般。

科研工作,伏打教授全身心投入,是忘我的。访学遍欧洲,伏打教授是无拘无束的。直至1794年,49岁的伏打终于结婚了。妻子特里萨(Teresa),是一位伯爵的女儿,他们共同养育了三个儿子。

历经十几年的实验研究,科学摸索,1800年3月,伏打终于公开宣布他发明了伏打电堆,一种能够产生持续电流的新装置。

随后在《论不同导电物质接触产生的电》的论文中,伏打介绍,在实验台上,放上一排酒杯。酒杯里倒上的不是美味的葡萄酒,却是无法入口的硫酸液或盐水。分别将一片锌和一片银放入杯中,再将一个杯中的锌片和下一个杯中的银片用导线串连起来,最后连接前部和后部的锌片和银片,就能产生出电火花,接上自制的微量电荷验电器,就能使验电器的叶片张开。

伏打分析,在这一实验中硫酸溶液或盐水代替了机体组织,包括神经和肌肉。正是锌和银的接触产生了流动的电,使验电器产生响应,验电器的叶片才张开。

伏打认为,蛙腿实验中,肌肉的收缩是金属电的结果,肌肉起到了和验电器一样的作用,蛙腿就是一种非常灵敏静电计。

伏打确信,至此,伽伐尼的蛙腿实验已得到了完美的解释。

诚然,与神经肌肉组织相接触的金属弧是双金属时,又假设蛙腿是一种非常灵敏的静电计,这样一来,伽伐尼实验就得到了很好解释。可是,伽伐尼反问道,我在实验中,采用了分别由不同金属制作的金属弧和同一金属制作的金属弧。当金属弧是不同金属制成的时,观察到肌肉的收缩。而用同一金属制成的金属弧来接触标本,也能够观察到肌肉的收缩,这又作如何的解释呢?对于这一严峻的质询,伏打则以金属不够纯,材料不够精,等等理由来辨解。金属不够纯就是不同金属?伏打坚持认为依然是不同金属接触,产生的金属电,刺激蛙肌产生收缩,而不存在生物电。

科学大师就是追求完美。伏打通过进一步实验来探索不同的金属对所产生的电动势效果,得到以下的关系式:Zn > Cr> Fe > Sn > Pb > Cu > Hg > Ag > Au 。这就是由伏打所发现的著名金属电化学系列表。在此系列中,前一种金属相对于后一种金属呈正电压关系。

至于电堆的原理,伏打则解释为是由于不同金属接触的机械原因所导致。

十分深入的实验,一丝不苟的推理,大多数科学家又由衷地认识了伏打的接触理论和金属电思想。

1801年伏打受邀去巴黎,在法国科学院表演了他的这一实验,当时拿破仑亲临现场,他立即下令授予伏打一枚特制金质奖章和一份养老金。还为其发行了专门纪念金币。

1804年伏打要求辞去帕维亚大学教授职务,退休而安享晚年。拿破仑诚挚地挽留了这位科学大师,搁置了他的退休要求,同时赐予他更多的名誉和金钱,并授予他伯爵称号。

1827年,伏打教授在家乡科莫安然去世,享年82岁。

今时今日

今天的意大利北部,有两座历史名城,博洛尼亚市和科莫市。她们分别因电生理科学的先驱,生物电科学创始人伽伐尼教授和电学大师,世界上第一个电池的发明者伏打教授而闻名于世。

【博洛尼亚市伽伐尼广场上伽伐尼纪念碑】

在博洛尼亚市,有一座伽伐尼专题广场,这是原古老悠久的博洛尼亚大学的所在地,伽伐尼就是在这里学习工作,开展科学研究的。广场的中央耸立着一座大理石的雕像,再现了伽伐尼200多年前,正在观察他那著名的蛙腿实验的情景。伽伐尼在博洛尼亚的家已经被保护起来,通过中央大道才能够看到。在房屋的正面,是一座长堤, 长堤上面是伽伐尼脸部的圆形浮雕,下方分别以意大利文和拉丁文两种文字撰写了纪念碑铭。

而在科莫市的美丽湖畔,耸立着伏打教堂,这是一座博物馆,馆藏珍贵的伏打原先科学研究用过的仪器设备。湖畔绿荫里,一座别墅隐然可见,那是伏打科技基金会的所在地。这一切告诉人们,伏打青少年时期曾在这里开展科技活动,并做出人生的第一项发明。1881年,为了纪念伏打对人类科学作出的贡献,人们将电动势单位取名伏特。

【伏特向拿破仑解说“电堆”原理】

两座名城,向游人叙说一个科学佳话:始于一个的偶然发现,随之开展的青蛙实验,继而引发的蛙腿论战,直接导致了电生理学的起源,同时引发伏打电池的发明。

伏打真诚地赞扬说,伽伐尼的工作“在物理学和化学史上,是足以称得上划时代的伟大发现之一。”为了纪念伽伐尼,伏打还把伏打电池叫做伽伐尼电池(Galvanic cell),引出的电流称为伽伐尼电流(galvanism)。

两位科学大师战胜人性的弱点,彰显出绅士的风度,高尚的科学素养。

论战推动科技发展,交流促进朋友的情谊。

蛙腿论战,人间美谈。璀璨的星空,两颗星,瞬间碰擦了,绽放出绚丽光芒。又瞬间分离了,沿着各自的方向,前行在茫茫的夜空。碰擦那一刻的灿烂,映现在人们心头,令人感慨良多,启迪良多。

应该说明的是,在伏打提出金属电与接触理论后约50年,德国著名的物理学家和生理学家赫尔姆霍兹(Helmholtz 1821—1894)论证,所谓金属电,是化学作用所引起的。是在不同金属与电解质溶液间两两接触之后,溶液中的离子形成定向移动从而产生了电流。赫尔姆霍兹明确指出,说不同金属,由于机械摩擦产生电流的理论是一个错误。

正如一位著名科学作家所言,当神明耀眼的光环悄然逝去,人类智慧的微光便开始闪烁。他们的理论会有许多不足,但那只是那个时代的不足;而他们的理论闪耀着的独创性与前瞻性的光芒,则全由他们个人智慧点燃。

伏打电堆的发明,开启了电学研究与应用的新纪元。

羞答答的生物电哦,何时才能揭开你那迷人的面纱?

今天生理学的研究,已经告诉我们,生理学通常用电代表兴奋性,兴奋性是人体基本生命特征之一。生物体没有兴奋性意味着生物电的消失并伴随生命活动的结束。您说,身体之电能被拉灯?!即便是片刻?!

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11 Responses to “此电非彼电,神奇的生物电——蛙腿论战”

    • 郑 然说道:

      还真不是。你是翻译漫画的幻风吗?

      • 幻风说道:

        呃,是……
        我愣,穿越了?我说看见“上一篇:此电非彼电,神奇的生物电——蛙腿论战”怎么这么眼熟……原来是两个月前的……

  1. 透视杯碗说道:

    很不错的文章,支持下。

  2. www.nowtaller.com说道:

    此电非彼电,神奇的生物电——蛙腿论战

  3. huyufeicn说道:

    一口气读完的一篇文章,受益匪浅,感谢分享!

  4. 超哥说道:

    偶像!

  5. york说道:

    我一直不相信富兰克林那个传说是真的,好像正史里也没这一说。

  6. lucas说道:

    好好学习!

  7. tmdqq说道:

    这两天作者们打了鸡血了,屡出佳作

  8. 李中说道:

    深入浅出,在看故事的同时学到不少东西。