生物电的发现
生物的电现象
叶绿体无论是春夏秋冬、晴阴雨雪, 都能吸收光能并 转化为电能。在房屋周围广泛植树, 在墙边种植青萝
紫藤、爬山虎等植物构成厚厚的多层覆盖的叠式植
物群,不仅房舍周围环境大为改善, 也极有可能使每户
人家有一个”绿叶发电厂”, 这将是真正的无尘、无污
染、无噪音的最富有生命力的新型发电厂。
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我们都知道，太阳能电池是利用阳光来发电，而植物也是用阳光来 为自己的生长提供能量。目前，制约太阳能发电规模的重要因素是 太阳能电池板成本太高。那么，有没有可能舍弃掉昂贵的电池板， 而利用廉价的植物来作为太阳能发电的载体？英国剑桥大学的研究 人员认为，的确可以用植物来发电，他们还发明了一些用植物发电 的新奇产品。
生物电现象
最早记载生物电现象的要数6000 年前埃及象形文字所记载的关于 一条鱼的故事, 当时有一个渔夫在尼罗河里捕到一条鱼, 这条鱼 电击了渔夫, 使渔夫慌乱之中丢下渔网让这条鱼逃之夭夭。这条 鱼其实就是一种会放电的须鲶鱼。
第一个较为严密的理论贡献是Gilbert 在1600 年所写的De Magnete。
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1876 年法国人Bernstein 发明了断流器( Rheotome) , 能周期性
地刺激神经和周期性地对神经电位进行采样, 描绘出了神经电位
的波形。
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同年, Marey 应用了1870 年Lippmann 发明的毛细管电 计( Capillary Elect rometer) 记录了蛙的心电图( ECG) 。
所认为的“生物光伏”电能宝库。他们已经设计了一种电能杆，准备从森林中的树木中搜集电能。
我们知道，世界上的能量是守恒的。如果把植物光合作用的能量用于发电，必然会影响植物
的生长。因此，在未来将主要用杂草和树木来发电，不会用粮食作物、蔬菜和果树来发电。和传
生物电的发现史
生物电的发现史：200多年前，人类就发现动物体带电的事实，并利用电鳐所发生的生物电治疗精神病。
18世纪末，L.伽伐尼发现蛙肌与不同金属所构成的环路相接触时发生收缩的现象，提出“动物电”的观点。
但被伏特推翻证明蛙肌的收缩只是由于蛙肌中含有导电液体，将绑在青蛙肌肉两端的不同金属连接成闭合回路，这才是产生电的关键。
以后C.马蒂乌奇、E.H.杜布瓦－雷蒙和L.黑尔曼等的工作，都证明了生物电的存在。
20世纪初，W.艾因特霍芬用灵敏的弦线电流计，直接测量到微弱的生物电流。
1922年，H.S.加瑟和J.埃夫兰格首先用阴极射线示波器研究神经动作电位，奠定了现代电生理学的技术基础。
1939年，A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎将微电极插入枪乌贼大神经，直接测出了神经纤维膜内外的电位差。
这一技术上的革新，推动了电生理学理论的发展。
1960年，电子计算机开始应用于电生理的研究，使诱发电位能从自发性的脑电波中，清晰地区分出来，并可对细胞发放的参数精确地分析计算。
生物电的发现以及应用
生物电
当有刺激作用于蛙的腓肠肌标本的神经干时，肌肉引起收缩说明了刺激神经引起了神经兴奋，而神经的兴奋性传播至肌肉引起肌肉的兴奋而发生收缩，这是我们在人体解剖生理实验课上亲身实践的出的结论。
在实验中产生的可传导的神经兴奋被称为神经冲动。
神经冲动在表面上表现为肌肉的收缩，而更深入的原因是由于动作电位的变化引起了神经冲动的产生，由此，我们对生物电也有了一个更加深入的了解。
生物电其实在很早的时期就被发现了，公元前300多年亚里士多德就观察到电鳐在水中捕食时，通过对水中生物进行震击而使之麻痹。
但是这一发现并没有让人们认识到电鳐的震击就是电击，直到1791 年意大利解剖学家加伐尼在进行解剖实验时，在将蛙腿的肌肉置于铁板上再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩，他才正式的提出了生物电这一概念。
生物电的这一发现不仅是生物学史上一次重大的发现，而且对于电学的发展也有巨大的促进作用，并由此产生了人类历史上第一个具有稳定电流的电源。
目前生物电在医学方面有着巨大的应用，人工心脏起搏、肌电图和脑电波都是基于生物电而产生的。
人工心脏起搏主要基于心脏有节奏的跳动（收缩和舒张），简而言之就是心肌的兴奋性活动。
心肌的自律性是不受神经系统支配的。
肌电图和脑电波分别是由于肌细胞和神经细胞的电活动产生的。
生物发电的发展历程
生物发电的发展历程生物发电作为一种利用生物体内生物化学反应产生电能的技术，经历了漫长而丰富多样的发展历程。
以下是生物发电技术的主要里程碑：1. 1786年，意大利物理学家和化学家路易吉·加洛瓦尼首次描述了青蛙肌肉在刺激下产生电流的现象，成为生物发电研究的起点。
2. 1830年代，英国科学家迈克尔·法拉第发现了鳗鱼所产生的强电现象。
他将这一现象归功于鳗鱼体内的电器官。
3. 20世纪初，德国科学家鲁道夫·韦尔纳和卡尔·梅尔滕斯在研究鲈鱼体内的电器官时，开发出了第一台真正可用的生物电池。
4. 20世纪50年代，美国科学家阿尔伯特·冈萨雷斯发现了一种名为细胞外鳞片虫的微小生物，它们能够产生电流。
这一发现引起了科学界的广泛兴趣，并推动了生物发电技术的进一步发展。
5. 20世纪60年代，美国微生物学家密克·法迪揭示了某些微生物通过氧化有机物和还原无机物的代谢过程产生电子，进一步推动了生物发电技术的研究。
6. 2000年，澳大利亚科学家维克托·耶利奇成功利用细菌群落产生微弱的电流，并命名为微生物燃料电池（MFC）。
MFC借助细菌在阳极上的氧化还原代谢来产生电子，并使用这些电子驱动外部设备。
7. 近年来，生物发电技术不断创新和进化。
以人为中心的系统如步态发电机、心脏起搏器等得到了广泛应用。
同时，利用光合作用产生电力的植物燃料电池也成为研究热点。
总结来说，生物发电技术的发展历程经历了从静电现象到电器官的发现，再到微生物代谢作用的研究，继而到微生物燃料电池的发展。
这些里程碑标志着生物发电技术逐步成熟，并为各种应用领域的发展带来了潜在机遇。
尽管仍然面临许多挑战，但生物发电的未来前景仍然广阔。
生物电的产生过程及机制
生物电的产生过程及机制
生物电是生物体内电势差的产生和传导过程。
它主要通过细胞膜上的离子通道和细胞内外离子分布的差异来产生。
以下是生物电的产生过程及机制的主要内容：
1. 离子通道：细胞膜上存在各种离子通道，如钠离子通道、钾离子通道和钙离子通道等。
这些通道可以打开或关闭，从而控制离子的流动。
2. 静息电位：在细胞膜静息状态下，细胞内外离子分布存在差异，形成了静息电位。
通常情况下，在细胞内有较高的钾离子浓度，而在细胞外有较高的钠离子浓度。
3. 动作电位：当刺激到达细胞膜时，离子通道会打开或关闭，导致离子流动的改变。
当刺激足够强，使细胞膜上的钠通道打开，钠离子进入细胞内部，细胞膜产生反转，形成动作电位。
动作电位的传导是通过局部电流的流动实现的。
4. 神经冲动传导：动作电位在神经组织中的传导是通过细胞膜上的离子通道打开和关闭的过程实现的。
在神经纤维上，当动作电位到达轴突末端时，通过突触传递到下一个神经元。
5. 心脏电活动：心脏细胞具有自身除极和除极再极化能力，可以自主产生和传导电信号，控制心脏的收缩和舒张。
这种自主产生和传导电信号的能力是由细胞内钠、钾、钙离子的运动通过离子通道控制的。
总之，生物电的产生过程和机制主要涉及到细胞膜上的离子通道、细胞内外离子分布的差异以及离子的流动等方面。
通过这些机制，生物体能够产生和传导电信号，实现神经传导、肌肉收缩和心脏跳动等生理功能。
生物电
生物电的发现
200多年前，人类就发现动物体带电的事实，并利用电鳐所发生的生物电治疗 精神病。18世纪末，L.伽伐尼发现蛙肌与不同金属所构成的环路相接触时发生 收缩的现象，提出“动物电”的观点。但被伏特推翻证明蛙肌的收缩只是由 于蛙肌中含有导电液体，将绑在青蛙肌肉两端的不同金属连接成闭合回路， 这才是产生电的关键。以后C.马蒂乌奇、E.H.杜布瓦－雷蒙和L.黑尔曼等的工 作，都证明了生物电的存在。20世纪初，W.艾因特霍芬用灵敏的弦线电流计， 直接测量到微弱的生物电流。1922年，H.S.加瑟和J.埃夫兰格首先用阴极射线 示波器研究神经动作电位，奠定了现代电生理学的技术基础。1939年，A.L.霍 奇金和A.F.赫胥黎将微电极插入枪乌贼大神经，直接测出了神经纤维膜内外的 电位差。这一技术上的革新，推动了电生理学理论的发展。1960年，电子计 算机开始应用于电生理的研究，使诱发电位能从自发性的脑电波中，清晰地 区分出来，并可对细胞发放的参数精确地分析计算。
生物电的应用
PART TWO
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。
生物电：从动物电到脑电波
报告人：李茜 万家豪
天津医科大学
生物电的发现史
生物电的发现史叶灿哈医大四院临床14级说起生物电，人们可能想到放电的电鳗。
其实人体内每时每刻也在进行着电活动。
人体内的生物电都在细胞的微观层面进行，在宏观层面并不能对外“放电”，但我们能通过心电图、脑电图等肯定人体生物电的存在。
生物电的发现不过两百多年的历史。
1786年意大利医生与生理学家Galvani在一次实验中偶然注意到：挂在铁栅栏铜钩上的蛙腿在风的吹动下左右摇晃时，一旦碰到铁栅栏，蛙腿就收缩一次。
Galvani在排除了当时已知电源(大气雷电、摩擦起电)的作用后，认为这是一种新的电源，是动物体内产生的电，即“动物电”。
他认为神经与肌肉带有相反的电荷，肌肉带正电，神经带负电，金属导体的作用是把神经与肌肉之间的电路接通。
Galvani的“动物电学说”在电力未被广泛使用的十八世纪引发了争论。
同是意大利的物理学家Volta提出不同意见。
Galvani为证明自己的观点于1794年设计了“无金属收缩实验”：在仅有神经-肌肉标本的情况下，任能实现肌肉的收缩。
这一新实验出色地证明了“动物电”的存在。
而这一发现标志着电生理学的开端。
在肯定了生物电存在后，科学家们开始了对其产生机制的研究。
1820年，在电流计发明后，Reymond提出所有神经或肌肉都存在有“静息电位”，即“先存学说”。
1902年Reymond的学生Bernstein接受了膜通透性理论，并提出生物电发生的“膜学说”。
他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。
“膜学说”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。
因为要想测量膜两侧的电位差，必须要将一个电极插入细胞内，这就要求插入的记录电极直径很细，不能损伤细胞，插入处也不能漏电。
显然，这种技术上的限制在当时是很难克服的。
一种特定的实验对象的发现能让科学家们突破认知的瓶颈。
第二章细胞第三节 细胞的电活动
Hodgkin&Huxley（英, 1939 ）
二、 动作电位（AP）
（一）AP的记录、概念、特点及意义
标本：神经纤维
AP的概念：可兴奋细胞在RP基础上接受有效刺激后，产生 的一个迅速的、可向远处传播的电位波动。
内向电流：阳离子内流或阴离子外流，可使膜去极化
外向电流：阳离子外流或阴离子内流，可使膜复极化或超极化
1. AP产生机制（过程）
（后去极化电位；
后超极化电位）
TP RP
-70 mV
Na+ Na+ Na+ － ＋－ ＋ ＋ －＋ －
＋
2K+ 3Na
+
K+ K+
－
K+ K+
ATP + 2K+ 3Na
St
（1）去极相（上升支）的产生
有效电刺激膜轻度除极化，MP部分Na+通道被激活、开 放 Na+少量内流（内向电流）膜进一步除极化，MP继续 TP（约-55mV） 大量Na+通道被激活、开放，GNa
1. AP的波形及构成 AP：去极相(上升支)+复极相(下降支) 峰电位（spike potential，SP）
AP
后电位 正后电位（后超极化电位） 幅度: =|RP|+超射值（超射: overshoot； ≈ ENa） 绝对值：约90 ~120 mV 时程: 不同细胞差异大， 数十到300 ms 神经纤维：SP：1-2 ms；后电位可达100 ms
RP的产生与K+平衡电位（EK）:
三）RP产生机制的证明
1. 用Nernst公式计算的EK理论值与RP的实测值非 常接近. Nernst公式：Ex= RT/ZF· ln[x]o/[ x]i 在温度为29.2℃，离子价是单价时，上式简 化为Ex = 60lg[x]o/ห้องสมุดไป่ตู้ x]I
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生物电的发现
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（action potential）。
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（Torpedo nobiliana）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Luigi Galvani （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。
Alessandro V olta（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。
V olta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。
V olta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V olta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。
郑州三和电子科技有限公司。