此电非彼电神奇的生物电蛙腿论战.docx

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此电非彼电神奇的生物电蛙腿论战

此电非彼，电神奇的生物电--蛙腿论战

科学松鼠会发表于2012-09-19

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（LuigiGalvani），主人一方是帕维亚大学伏打教授（AlessandroVolta）。

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（LuciaGaleazzi），博洛尼亚理学院著名教授，他的解剖学指导老师（GusmanoGaleazzi）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”（atmosphericelectricity）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（metallicarc）。

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（TheRoyalSchoolinComo）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（Galvaniccell），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（Helmholtz1821—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？

！