18世纪末,意大利医生、物理学家伽伐尼从蛙腿收缩现象开始,发现了生物电的存在,开创了生物电生理学的研究。生物电的发现,使人类对机体的认识大为深入,为医学检测、治疗和生理学研究提供了新的工具。
1771年,伽伐尼正在研究一只解剖过的青蛙,青蛙挂在铁架上。突然,天空中闪电划出耀眼的光芒,随后一声惊雷。他看到,在闪电中,青蛙的腿抽搐了一下。奇怪,青蛙已经死了,青蛙腿为什么还会抽搐呢?1786年,伽伐尼在实验室解剖青蛙。当刀尖碰到了蛙腿上外露的神经时,蛙腿发生了剧烈的痉挛。这次没有雷电,可死去青蛙的腿也会抽搐。
1791年,伽伐尼设计了一个新的蛙腿实验。他将一根铜针和一根锌针分别与青蛙的腿和脊神经相连接,观察会有什么反应。他观察到,当铜针和锌针相接触时,会立即引起蛙腿肌肉收缩。
伽伐尼Ⓦ
这是怎么回事呢?伽伐尼认为,肌肉的收缩是生物体内发生了一种瞬间电流而引起的。当雷电发生时,它在蛙腿中发生了感应电流,感应电流刺激蛙腿神经,引起肌肉收缩、脚抽搐。当插入蛙腿的铜针和锌针接触时,也会产生从神经流向肌肉的电流,引起蛙腿肌肉收缩。
令死蛙腿部肌肉收缩的伽伐尼实验Ⓟ
这是科学家第一次发现生物体中电流的存在。后来,科学上把实验中诱导产生诱发电流的现象称做伽伐尼现象,把这种电流称为生物电。伽伐尼被认为是生物电生理学的奠基人。现在,科学家广泛地利用生物电研究生理活动,也用来检测生物器官和组织的状态。例如,心电图、脑电图都是利用生物电进行检测和记录的。
另一位意大利物理学家伏特,听说了伽伐尼的实验,他对蛙腿的抽搐也充满了兴趣。不过他认为,锌针和铜针这两种不同的金属针之间会产生“金属电”,电流刺激了青蛙腿,引起了抽搐,这与“生物电”无关。为了证明自己的观点,他取来一些银币、一些锌币,一层一层地叠放,在锌币和银币中间放上浸了盐水的纸片。然后,从最下边的一层银币上引出一根导线,从最上层的锌币上引出一根导线,将两根导线轻轻接触就会放出电火花。如果叠放层次足够多,会产生较强的电流。这叫伏打电堆,是今天电池的雏形。
伏打电堆Z表示锌币,A表示银币。Ⓟ
伏特的结果让伽伐尼很吃惊,于是进行了更多实验和观察,用新证据表明“生物电”是确实存在的。
杜布瓦-雷蒙的实验Ⓟ
不过,当时许多科学家仍然不认同“生物电”,因为当时“活力论”统治着生理学,大家认为,生物的活动是由于生物体具有“活力”这种特殊物质的缘故,“活力”的扰动随着神经向外传播,引起肌肉收缩。连著名德国生理学家弥勒也坚信生命体中存在着“活力”这种物质。弥勒的学生、德国生理学家杜布瓦-雷蒙却不站在老师那边,他用实验证实了电流在神经和肌肉活动中的作用。他改进仪器,于1848年进行了实验,测量了横纹肌细胞发生收缩时施加到细胞表面的电压,这种电压被称为阈电压,是肌肉细胞发生收缩所需的最小刺激电压。他的实验证明,生理活动不是“活力”这种神秘物质引起的,生物电确实存在,而且与普通的电流(如伏打电堆制造的电流)没有差别。