生物电化学在学科交叉中发展

第14卷,第3期 科学技术与辩证法 Vol.14,No.3
1997年6月 Science,Technology and Dialectics Jun.,1997
·跨学科研究·
生物电化学在学科交叉中发展X
白燕
内容提要　本文以生物电化学为例,借助自然辩证法的理论和观点,通过对生物电化学研究内容、发展过
程及研究技术方法的分析,论证了自然科学发展过程中多学科交叉现象出现的必然性,探讨了交叉学科兴起
的内在因素和深远意义。
关键词　生物电化学 学科交叉
自然科学的若干分支并不是孤立的、静止的,而是相互联系、相互交叉发展的。生物电化学的发展充分体
现了学科间的交叉性和互助合作的必要性。
生物电化学(Bioelectrochemistry),“生物”(Bio-)和“电”(electro-)、“化学”(chemistry)故名思义,该学
科具有学科间的交叉性和互相作用。事实上,生物电化学在研究那些涉及生物系统的荷电粒子(可能还有非
荷电粒子)过程所引起的电化学现象时,运用了包括固体物理学(及半导体理论)在内的严谨的电化学技术和
理论。在这里,由于物理学、电化学、生物学等学科交叉合作,从而破译了大量的生物学事件和现象,以及有机
体的能力学奥秘。恩格斯在《自然辩证法》中预言:“电化学——维德曼在描述电对化学分解和合成的影响时
宣称:这宁可说成是化学上的事;在同一场合下,化学家却宣称这倒不如说是物理学上的事。这样,在分子科
学和原子科学的接触点上,物理学家和化学家都承认自己没有能力,然而正应当在这一点上期待着最大的成
果。”生物电化学正是在这样需要多学科相互合作的接触点上应运而生的。电化学家、生物物理学家的通力合
作使之不断向前发展壮大。
两个世纪以来,大批不同领域的学科和科学家们都对生物电化学的发展作出了贡献。1792年意大利生理
家L.GALVANI解剖了一只青蛙,将其放在静电机旁的桌上。有人用解剖刀触及蛙腿神经,蛙腿的神经因此
而收缩,同时发现神经收缩时静电机发出火花。GALVANI对这一奇怪现象极为注意,并作了深入研究,结果
发现了电流,并用青蛙的肌肉证明了活机体组织与“电”的相互作用。他以著名的青蛙实验而被视为生物电化
学之父。同一时期,物理学家A.VOLTA在研究有机体的电现象时,指出神经就是电导体,随后,J.W.RIT-
TER对电生理学和氧化还原反应领域进行了研究,奠定了电生理学的基础。十九世纪末至本世纪初生理学家
L.MICHAELIS在涉及离子的生物化学事件中第一次引入了定量氧化还原反应的概念。化学家D.KEILIN
建立了呼吸链的氧化还原模型。化学家R.B.WURMSER在

生物氧化还原反应的研究中引入了电位计技术,
发展了MICHAEIS理论。随后化学家A.S.GYORGY开创性地把蛋白质分子的研究与现代固体物理和半导
体理论结合起来。他运用固体物理和半导体的理论概念,研究了蛋白质以及其他生物大分子的电传导,得出
生物大分子电导的结论。在当今,I.PRIGOGINE总结了前人的理论,引入了复杂而又高深的区域平衡、耗散
结构等概念,借助于大量数学推导对于远离热力学平衡状态发生的事件(主要是生物学过程),取得了理论预
测和实验发现之间极其重要的一致,克服了热力学第二定律与有机体能力学之间的矛盾。I.PRIGOGINI以其
杰出的成就获得了1977年诺贝尔奖,至此,两个多世纪前GALVANI播下的一颗种子,经过无数科学家的互
·51·
X本文得到张华夏教授的指导和审阅,仅在此表示感谢。相合作,悉心培育,在电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科的交叉地带植根、发芽,终于成
长为一门独立的学科——生物电化学。
生物电化学是研究生物体系电荷能量传输运动规律和它们对生物体活性功能的影响,因而生物电化学
的发展所体现的学科交叉性表现为既有科学概念、原理的渗透,又有技术、方法的移植。建立在物理学、化学
和电子学基础上的电化学为认识生命体系细胞水平上的运动规律提供了强有力的工具。
电化学理论对生物学研究的作用是显而易见的。电子转移在生命过程中所起的作用是极其重要的。从生
物体内新陈代谢的氧化还原反应,到生物膜的跨膜电位差对细胞内外物质运输的调节作用,实质上都具有电
化学性质。此外,电生理学研究的神经传导过程也表明生物体所需要的信息过程几乎都是通过电信号方式发
生的。所有这些都可用电化学原理和技术来研究。
生物分子与电极之间的电子转移在某种程度上类似于生物体中分子之间的电子转移。因此,生物分子的
氧化还原性质的电化学研究可为动、植物生理学研究提供一些必要的科学根据和有用信息。例如,哺乳动物
中的葡萄糖被血红蛋白携带的氧所氧化,最终生成CO2和H2O的反应是多步骤复杂的。从整体上研究该反应
体系是极其困难的,但是可以分成单个步骤从电化学方面进行研究,例如:
C6H12O6+H2O C6H12O7+2H++2e- (1)
2H++2e-+1/2O2H2O (2)

C6H1206+1/2O2C6H12O7 (3)
总反应(3)是我们要研究的生物学事件。反应(1)和(2)是简单的氧化还原反应,很容易用恒电位方法进行研
究,采用适当的导体(Pt、Au、C等)作为工作电极和适当的参比电极,反应(1)和(2)都可构成一个化学电池,
测定标准电极电位,并由

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,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
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。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其运动形式本身
是相互依存、相互联系、相互渗透、相互贯通、相互转化的。科学家所作的只不过是对自然界本来面目的正确
反映。因此,一切从事自然科学研究的工作者、科学家在科学实践中必须坚持辩证唯物主义的自然观,以自然
辩证法为研究向导,在不同领域互助合作,共同研究,才能在多学科的边缘地带、交叉地带取得重大成果,才能

振兴科学,达到认识自然和改造自然为人类服务的目的。
参考文献
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作者简介:白燕,女,1960年生。1982年7月获吉林大学学士学位,1985年7月获暨南大
学理学硕士学位。现为中山大学化学系博士研究生,在暨南大学化学系工作。
邮编:510632
责任编辑:郭晋风
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的缺陷,它只是制定了敬畏生命的原则,而没有规则
体系和范畴体系。因此,敬畏生命伦理学还不是一种
严格意义上的伦理学。难以给敬畏生命原则制定细
则,是因为敬畏生命原则本身包含了难以克服的矛
盾。当我们必须在不可避免的必然性与道德行为之
间作出选择时,首先面对的困难是对不可避免的必
然性的确定,我们很难对人的生命需要作出明确的
量的规定,也很难对需要的内容作出明确的区分。因
此而引起的第二个困难是我们只能要求人们对任何
损害生命的行为承担道德责任,而无法对其行为本
身作出规定。这种纯粹依靠行为者道德自觉的伦理
学,在所谓生命意志严重分裂的时代,其现实的影响
力是有限的。其后发展起来的生态伦理学和环境伦
理学都在不同程度上改变了敬畏生命原则的绝对
性,并制定了相应的细则,使伦理原则更具有操作
性。?
参考文献
1阿尔贝特·史怀泽:《敬畏生命》,上海社会科学
院出版社,1992年。
o魏英敏:《新伦理学教程》,154—162页,北京大学
出版社,1993年。
?罗国杰、宋希仁:《西方伦理思想史》,十三、十四、
十五章,中国人民大学出版社,1988年。
??刘湘溶:《生态伦理学》,第一章第二节,湖南师
范大学出版社,1992年。
作者简介:姜国钧,男1962年生,中南工
业大学高教所讲师。
责任编辑:霍爱珍
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