生物体,是会“发电”的

在把结论背下来之前,先看看人类是怎么一步步看见它的。

1791
伽尔瓦尼用两种金属在蛙的肌肉与神经间搭起回路,肌肉收缩了。他宣称:动物组织能产生生物电。
1793
伏特反驳:两种不同金属之间本来就有电位差,这纯属物理现象——后来于1800年制成伏打电堆。
此后
伽尔瓦尼改做无金属接触实验,后来的研究者又用电流计测出肌肉电流。争论没有压倒谁,而是催生了电生理学
1939
霍奇金与赫胥黎把电极插进枪乌贼那根极粗的神经纤维里,首次从神经纤维内部记录到动作电位。
今天
前两页用慢速示意帮助理解;虚拟实验室用简化模型计算曲线,供比较变量影响。

神经冲动的产生和传导

互动模拟 · 人教版选择性必修1 第2章第3节

神经纤维的一小段膜

静息电位 · 膜内负 膜外正
钠离子 Na⁺ 钾离子 K⁺ 离子通道 钠钾泵

图中小球的数量只表示相对浓度,是示意,并不代表实际的离子数目。膜两侧的 只画在紧靠细胞膜的一薄层,因为电荷差别只存在于这里。

膜电位的变化

−70膜电位 mV
内负外正膜两侧电位
关闭Na⁺通道
开放K⁺通道
每一步会慢慢演示几秒钟,看完再点“下一步”

兴奋沿神经纤维的传导

选择刺激位置后,动画会立即开始。可随时暂停,观察兴奋区、局部电流和电表指针的变化。

➜ 蓝色:膜外局部电流,未兴奋区 → 兴奋区➜ 红色:膜内局部电流,兴奋区 → 未兴奋区
① 静息 · a、b 膜外均为正

接线约定:a 接电表左侧“+”端,b 接右侧“−”端;传统电流流入“+”端时指针右偏。此处为表面电位与电表偏转的教材示意,不是细胞外电位的定量计算。

神经纤维及细胞外液中的电流主要由离子定向移动形成,箭头表示传统电流方向(正电荷移动方向)。金属导线中的电子移动方向与传统电流相反。

我们已经知道神经冲动怎样产生。如果改变这个系统中的某个条件,它还会照常产生吗?

P · Predict 预测选择变量,判断曲线可能怎样变化
R · Run 运行拖动滑块,模型立即运行
O · Observe 观察比较曲线、静息电位和峰值
E · Explain 解释用离子跨膜运输解释变化

设置实验条件

模型基准 145;细胞内固定为 15 mmol/L。
模型基准 5;细胞内固定为 140 mmol/L。
百分比表示模型最大 Na⁺ 电导的降低比例,不对应临床药物剂量或人体精确阻断比例。

完成预测、运行、观察和解释后,再打开现实案例进行验证。

结果与比较

−72.0静息电位 mV
峰值 mV
变化幅度 mV

走进现实 · 用真实案例检验解释

原本

Na⁺通道短暂开放,Na⁺内流;随后停止大量内流,膜电位恢复。

局部麻醉药作用后

机制简化示意:分子形象、运动速度和曲线均不代表真实比例;乌头碱改变通道的开闭特性,并非物理上撑住通道。

科学依据与模型说明

局部麻醉药在通道内腔结合并抑制 Na⁺电流;真实作用还具有状态与使用依赖性。乌头碱可使 Na⁺通道异常持续激活,引起电活动紊乱。

局麻药与钠通道 · 乌头碱与钠通道研究