生物电化学在学科交叉中发展

1、此得到反应的自由焓或反应(3的实在数据。虽然在生物体中没有金属导线的化学 电池,但是据上述信息则不难得到在给定的条件下第一个体系能否被第二个体系氧化的的具体证明。 在有机体中膜的作用恰似分隔两个区域的栅栏,对物质运输起着开关作用。细胞膜是用来维持细胞内部 条件的组织结构。这种内部条件对每个细胞功能是必不可少的。通过膜进行物质运输的机制之一是靠选择性 通透方式来进行的。如果运输粒子带有电荷,就会发生电和电化学现象,并反过来调控物质运输的过程。被膜 分开的区域通常是等通透的,因此物质运输必须在通透之外还需要一个外力。由此即可推断物质透过膜运输 的机制必定是电化学机理,并且在生物膜上实际测到了电位差

2、,证实了这种推测。理论生物学家们正在从物 理化学的电解质电导的理论出发,采用不可逆过程热力学来研究生理过程中有关膜电位和膜的运输作用,从 而提出了离子泵的概念。在此基础上考虑到电位、化学位和电化学位梯度的非线性和同时存在的各种物理量 与正在发生的现象的偶联关系,应用适当的非线性微分方程描述跨膜运输过程,观察到了负传导现象某 些荷电物质跨膜向与电位梯度和电化学位梯度预测的相反方向运输。这就给离子泵的概念赋予了物理方面 的意义。由此可见,现代理论从表面看来,似乎与生物学相去甚远,但却也有助于生物学事件的解释。 电化学技术用于生物学的研究是生物电化学的显著特征。生命科学研究的迅速发展是与电化学技术的

3、 应用分不开的。微电极伏安技术用于脑神经系统研究所取得的辉煌成就就是一个例证。 大脑神经中枢的活动机理历来是生命科学研究的重大课题。过去,对脑神经研究都是采用离体分析方 法,是在实验动物死后再采取脑组织样品进行测定。由于这种实验方法不能实时反映大脑内部的变化过程, 从而严重地制约了脑功能研究的进一步发展。本世纪七、八十年代微电极技术越来越多地应用于电化学研究 中,由于微电极具有尺寸小、通过电流小的优点在生物体系研究中不会损坏组织或因电解破坏测定体系的平 衡,因此被用于在体、实时的电化学测量中。当采用微电极伏安法对动物脑内与神经传导有关的内源物质进 行活体测定获得成功之后,科学家又以极大的热情对

4、这项技术进行不断改进完善,从而被公认为是在正常生 理状态下跟踪监测动物大脑神经活动最有效的方法。该方法就是采用微电极插入动物脑内,在电极上施加一 个变化的电压(不高于1V,通常采用线性扫描伏安法或示差脉冲伏安法测量电极表面附近电活性物质(如多 胺类 物质氧化时所产生的电流。 ·52·大鼠脑神经递质活体伏安分析示意图(引自文献3 在体伏安法的应用是生物学研究技术上的一大进步,但它也同一切新生事物的产生、发展一样,需要在科 学实践过程中克服缺陷,不断完善。在神经科学研究中由于经常会出现多种生物化学反应同时进行,而很多 具有电活性的神经化合物都具有十分接近的氧化电势,甚至相互重叠

5、。此外,细胞间液中存在的抗坏血酸,对 某些神经活性物质的测定也产生着严重干扰。因此,伏安法进入神经科学领域的最大障碍是缺乏选择性。但 是依靠先进的电子技术和化学实验技术这一难题得以解决。首先,依据多种化合物在电化学氧化速率上的差 别使用特制快速伏安仪(每秒数百伏甚至上万伏进行快速循环伏安测定,同时利用计算机储存伏安图和进行 数据处理,从而分辨各类物质的信号。第二,利用化学或电化学方法对电极性能进行改进,设计不同修饰方 案,使电极获得预期的特性。例如,用化学修饰法给电极涂上一层特殊的功能膜,该膜层能够阻止某些化合物 接近电极表面,从而达到选择性测定的目的。时至今日人们已经而且可以选择适当的分析方

6、法和应用特定的 微型修饰电极进行选择性的研究和测定。伏安法已成为一项非常有用的“热门”实验技术。在体伏安技术能对 神经生理及脑功能机理提供过去没有的新信息,已为电生理和神经药理学家们所接受。利用伏安技术能同时 记录细胞间电现象和神经传导递质的变化;同时测定伏安电信号和神经系统中离子的流动。直径小于0.5um 的超微电极已经小到足以插入到单个神经细胞之内进行神经生理学研究,将来电极会越来越小。随着电子技 术的发展,计算机的广泛应用,测定速度也会越来越快。人们可以期待同时进行细胞内液和细胞间液的伏安 测定,研究与中枢神经功能有关的化学动力学,彻底揭示大脑神经活动的奥秘。 总之,从某种意义上说,生物

7、电化学的发展是随着现代物理、化学和电子学成果的渗透和诸学科新思想和 新概念的会集以及新技术和新方法的引入而逐步深化的。正是由于许多物理学家和化学家转向生物学的研 究,才有可能在生物电化学中实现学科交叉渗透。生物电化学的发展反过来又促进了物理、化学等相关学科 的发展。 综上所述,生物电化学的研究对象、发展过程以及研究技术方法等方面,都充分表明了该学科是在学科的 交叉中产生和发展的,这一事实进一步揭示出自然科学各层次各分支之间交叉的必然性和相互补充、相互合 作的必要性。学科之间的相关性为交叉学科的产生提供了契机。交叉学科的形成通常基于某 一契合点,正如 电化学和生物学在“电子转移”上的接触,引发了

8、人们关于生物学事件中众多电化学现象的认识和思考,并将 电化学概念、原理、技术和方法引入到生物学的研究,从而使在电子水平上认识生命过程的新学科生物电 化学迅速发展起来,进一步推动了对生命本质的研究。这种看似偶然性的接触,实质上包含着必然性。客观事 物具有统一性,因而自然科学不同学科之间存在着一定的共性和相似性。以各学科之间存在着的这种共同因 素为契机,由一个学科领域引入到另一个学科领域,使之生存发展,就会使不同音调构成最美的和谐,产生出 一个具有两个学科二重性的交叉学科。不仅如此,学科交叉还在于自然界物质各种运动形式是相互联系、相 互转化的。物质运动形式的规律是交叉学科的客观依据。高级运动形式中

9、存在着低级运动形式,在科学研究 中,人们就可以将高级运动形式所包含的某种低级运动形式的科学概念、原理和研究方法转移到高级运动形 式的学科中。生命运动中伴随着物理、化学等低级运动形式,因而可以把物理学、化学、物理化学的概念、原 理、方法导入生物学的研究,从而揭示出生命运动过程中的物理、化学规律,达到对生命本质的认识。正是这 种转移导致了生物物理学、生物化学、生物电化学等交叉学科的相继诞生。基础学科的高度发展也为学科交 叉提供了可能。正如恩格斯所说:“只有在这些统治着非生物界的运动形式的不同的知识部门达到高度的发 ·53·展以后,才能有效地阐明各种显示生命过程的运动进程,对这些运动进程的阐明,是随着力学、物理学、化学的 进步而前进的。”本世纪初叶数理化的巨大发展为今天生物学和生命科学成为本世纪末及下世纪的前沿领域 奠定了基础。而向生物学的渗透正是现代物理学和化学发展的前沿之一。各学科间的广泛联系又为交叉学科 的发展提供了便利的条件。学科交叉由单学科交叉到多学科的综合渗透的发展过程,正是人们对自然的探索 从宏观到微观,从定性到定量,从分析到综合不断深化的结果。由此可见,生物电化学所以在学科交叉中发 展,自然科学各学科之间的交叉学科的兴起,归根到底是因为客观存在着的自然界的物质及