数字化实验系统在中学生物教学中的应用案例

运用数字化实验检测“伽伐尼生物电”

罗展宏1任莉莉2

（1宁波市鄞州区姜山中学315191 2宁波市鄞州区同济中学315175）摘要：采用数字化实验中的微电流传感器可以有效地捕捉到坐骨神经上的电流变化，定性测得双相动作电位，结合浓差原电池、Nernst方程、迁移率（淌度）等知识可深入理解生物电的形成原因，通过电流变化和时间关系可以得出细胞膜上Na+、K+通道激活时间和通透性程度应该是不一致的，也有可能细胞膜上Na+通道数多于K+通道数目。

关键词：数字化；双相动作电位；浓差原电池；Nernst方程

1786年一天，意大利科学家伽伐尼在实验室研究蛙的神经肌肉标本时偶然发现了这样的现象：他用铜制的钩子勾住新剥制的蛙下肢，又将铜钩子挂到铁杆上，当蛙下肢与铁杆发生接触时，下肢肌肉就会剧烈地痉挛。经过反复实验，他认为痉挛起因于动物体上本来就存在的电，他还把这种电叫做“动物电”。受限于当时的理论以及技术手段，当时的伽伐尼也无法完全解释产生的原因。

其实一切活细胞无论处在静息状态还是活动状态，都始终存在着电现象，这种电现象称为生物电[1]。生物电是一种普遍存在而又十分重要的生命现象。本文通过运用数字化实验系统可以检测到神经传递过程中的电流变化，将微观变化以宏观数据显现，有效地解决暂态现象难测量等传统实验无法解决的问题。

1.实验重现

1.1 实验材料

微电流传感器（GQY.WL-0003）、数据采集器（GQY.DAS-5104D）、计算机、牛蛙、常用解剖器械、锌铜弓、玻璃分针、滴管、粗棉线、任氏液

1.2 实验步骤

①制作蛙坐骨神经—腓肠肌标本[2]。②将数据采集器与计算

机连接好，打开数据采集器和计算机，将微电流传感器接入数据

采集器，连接方式如图1所示。③进入实验通用界面，开始记录

数据。将传感器的两个电极放到坐骨神经A、B处，用锌铜弓间

隔刺激神经，观察腓肠肌收缩情况和坐骨神经上的电位变化情况。

④交换两个电极的放置位置，以同样的方法重复上述实验。⑤一

段时间后，再次给予相同的刺激，记录电位变化情况。⑥待实验

结束后，整理分析数据，绘制“微电流—时间”曲线。

2. 结果与分析

图1

2.1若红色电极（+）在A处，黑色电极（-）在B处（如图2所

示），则得到图3所示的“微电流—时间”曲线。由图3可知，当

放置锌铜弓后由于形成了锌铜原电池，对坐骨神经进行了电刺激，神经传递过程中出现了明显的电流波动。这是由于细胞内的有机负离子大多为大分子，一般不能透出膜外，细胞膜两侧存在离子浓度差。细胞膜内K+浓度高于细胞膜外，而细胞外Na+、Ca2+、Cl-高于细胞内，总的效应是膜的外侧聚集较多正离子，膜的内侧为较多负离子，从而造成膜的两侧电位差，形成了浓度差电池。神经受到刺激后A处Na+离子通道打开允许Na+通透，在Na+浓度梯度的影响下外部Na+流向内部导致外部呈现负电位，B 处仍然

图2 处于正电位，从而出现电位差而形成电流。刺激过后A 处恢复平静，K +通道打开，在K +浓度梯度的影响下K +外流弥补正电荷形成正电位，B 处开始兴奋Na +离子通道打开形成负电位，从而形成方向相反的电流，这表明神经冲动的传导伴随着电位的变化。同时肉眼观察到腓肠肌出现一次收缩。该实验也再一次验证了伽伐尼生物电的存在。

2.2若黑色电极（-）在A 处，红色电极（+）在B 处，则得到图4所示的曲线。与图3相同的是，从坐骨神经未受刺激到刺激过后整个过程中，电流的总体变化趋势一致，也产生了两个方向相反的电流，只是电流起始的方向刚好相反。由此说明，电极的连接方式与伽伐尼生物电的产生无关，但与其方向有关。

神经中细胞外液中c （Na +

）=440mmoL/L 、c （K +）=20mmoL/L ，细胞质中c （Na +）=50mmoL/L 、c （K +）= 400mmoL/L ，根据Nernst 方程[3]：

由方程中可以得出K +平衡电位差大于Na +平衡电位差，而且钾离子迁移率（淌度）7.62

×

图

3

图

4

108m 2·S -1·V -1大于钠离子迁移率（淌度）5.19×108m 2·S -1·V -1，但是从图像中却得出产生和消除相同大小的电流，Na +移动时间在0.2s 左右，而K +移动时间在0.4s 左右，可得出Na +移动速度比K +快，说明跨膜离子迁移主要受细胞膜的影响。钾离子浓度差大、移动速度快反而移动时间长说明细胞膜离子通道对Na +、K +通透性增高的时间上应该是不一致的，可能Na +通道几乎立即被激活而K +通道激活稍迟且通透性增加较缓慢。也有可能细胞膜上Na +通道数多于K +通道数目。

2.3经过一段时间后，再次给予相同的刺激时，得到图5所示的曲线。虽然其总体趋势和图4保持一致，但是受刺激时所产生的电波强度明显减弱，肌肉收缩程度也大幅降低。这可能与离体的标本生理活性减弱或由于多次的刺激导致神经、肌肉的疲劳有关。

从图5中可以得出相同情况下测得的电流是正向电流大而负向电流小，说明图2中②步电位差大而③步电位差小。同样验证了由于Na +迁移速度快而K +迁移速度慢，从而导致了两者电位差值不一致。离体的标本多次刺激后能量消耗较大、生理活性减弱导致细胞内外离子浓度无法及时恢复使得电流位差更明显。离子通道存在电压门控和配体门控，电流大小不一致也可能是启动Na +通道、K +通道的门控方式具有差异性。

通过微电流传感器可以有效地捕捉到坐骨神经上的电流变化，直观地展示神经冲动的传导就是钠、钾离子浓差原电池的变化过程。双相动作电位的方向与微电流传感器电极的摆放位置有关，其幅度与标本的活性有关。结合电流变化的时间图运用Nernst 方程和离子迁移数数据分析可以得出Na +通道、K +通道的门控方式具有差异性，可能Na +通道几乎立即被激活而K +通道激活稍迟且通透性增加也较缓慢或细胞膜上Na +通道数多于K +通道数目。此数字化实验现象明显，图谱清晰，能更好的解释伽伐尼生物电的形成过程。

主要参考文献

[1] 王玢,左明雪.人体及动物生理学.北京:高等教育出版社,2004.

[2] 解景田,赵静.生理学实验.北京:高等教育出版社,2006.

[3]傅献彩,沈文霞,姚天扬.物理化学. 北京:高等教育出版社,1990

图5