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【奧博資訊】破解生物學(xué)領(lǐng)域百年未解之難題學(xué)者孫作東闡明細(xì)胞生物電現(xiàn)象
發(fā)布時(shí)間：
2020-10-28
近日，美國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)期刊UCMS刊發(fā)了我國(guó)學(xué)者孫作東撰寫的論文——細(xì)胞生物電膜面積守恒定律及離子不等量方程，論文對(duì)細(xì)胞生物電現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了科學(xué)合理地闡釋，從根本上顛覆了霍奇金學(xué)派創(chuàng)立的離子學(xué)說(shuō)以及依據(jù)離子學(xué)說(shuō)建立的GHK方程和H-H方程，開辟了一種科學(xué)量化描述細(xì)胞動(dòng)作電位新的方法和途徑。這是我國(guó)在生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，這一顛覆性成果有助于從源頭上回答人類健康和疾病的基本生物學(xué)問(wèn)題。
之前，人類對(duì)細(xì)胞生物電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)，甚至是顛覆性的錯(cuò)誤。公元前300多年，亞里士多德觀察到“電鰩”可能“帶電”；1758年，卡文迪許用萊頓瓶證明了生物電的存在；1786年，伽伐尼在解剖青蛙時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)生物組織帶電，并于1791年把這種現(xiàn)象正式稱為生物電現(xiàn)象；1902年，伯恩斯坦提出了膜學(xué)說(shuō)，認(rèn)為生物組織在沒(méi)有刺激或興奮時(shí)，本身就有生物電存在；1939年，霍奇金等直接測(cè)量到了膜內(nèi)外電位差，并在膜學(xué)說(shuō)基礎(chǔ)上提出了離子學(xué)說(shuō)。
目前，解釋細(xì)胞生物電現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)就是霍奇金學(xué)派創(chuàng)立的離子學(xué)說(shuō)以及依據(jù)離子學(xué)說(shuō)所建立的GHK方程與H-H方程。但是，膜學(xué)說(shuō)正確的部分，離子學(xué)說(shuō)沒(méi)有明確肯定；膜學(xué)說(shuō)錯(cuò)誤的部分，離子學(xué)說(shuō)也沒(méi)有明確否定，反而在后期又得到了進(jìn)一步強(qiáng)化。無(wú)論是膜學(xué)說(shuō)還是離子學(xué)說(shuō)，提出者都忽視了離子通道的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜內(nèi)外離子交換的本質(zhì)和規(guī)律。所以，依據(jù)離子學(xué)說(shuō)建立的GHK方程和H-H方程，存在著致命缺陷，致使后來(lái)的一系列實(shí)驗(yàn)研究工作誤入歧途，使問(wèn)題變得復(fù)雜和讓人難以理解。應(yīng)用離子學(xué)說(shuō)，正向推演，邏輯上無(wú)法自洽，而且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾；逆向推演，在下一時(shí)程前無(wú)法還原到動(dòng)作電位的初始狀態(tài)。
霍奇金的“離子學(xué)說(shuō)”現(xiàn)在的處境，如同當(dāng)年托勒密的“地心說(shuō)”，始終無(wú)法“自圓其說(shuō)”。事實(shí)上，人類對(duì)細(xì)胞生物電現(xiàn)象背后奧秘的認(rèn)知并不十分清晰，甚至出現(xiàn)了顛覆性的錯(cuò)誤。可以說(shuō)，自亞里士多德發(fā)現(xiàn)“電鰩”“帶電”的2300多年間，或自伯恩斯坦膜學(xué)說(shuō)提出至今的118年間，細(xì)胞生物電現(xiàn)象一直是生物學(xué)領(lǐng)域未解世界之難題。
本文就是基于K+通道“折紙風(fēng)車”模型原理和伯恩斯坦膜學(xué)說(shuō)，提出了新的離子學(xué)說(shuō)——膜面積守恒定律，以及基于膜面積守恒定律建立了新的數(shù)學(xué)模型——離子不等量方程，對(duì)細(xì)胞生物電現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了完美、科學(xué)、合理地闡釋。
膜面積守恒定律，認(rèn)為生物電活動(dòng)是不同陽(yáng)離子在細(xì)胞膜內(nèi)表面互相置換的過(guò)程，在細(xì)胞膜形成之初就已經(jīng)被細(xì)胞膜圍在胞內(nèi)，決定了細(xì)胞動(dòng)作電位的“正”與“負(fù)”；Na+、K+等陽(yáng)離子，在細(xì)胞膜內(nèi)表面互相置換的數(shù)量決定了動(dòng)作電位的幅值，互相置換的比例遵守膜面積相等離子數(shù)量不相等原則。細(xì)胞膜面積守恒定律表達(dá)式：SA(t)+SB(t)=S0。
離子不等量方程，引用了運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，從根本上揭示了細(xì)胞生物電現(xiàn)象產(chǎn)生的規(guī)律，合理規(guī)避了細(xì)胞膜膨脹力和離子驅(qū)動(dòng)力，完成了對(duì)生物電發(fā)生機(jī)制由定性到定量的表達(dá)，開辟了一種科學(xué)量化描述細(xì)胞動(dòng)作電位新的方法和途徑，與GHK方程與H-H方程相比，簡(jiǎn)單易學(xué)實(shí)用。離子不等量方程表達(dá)式：靜息電位N=N0+Vt，動(dòng)作電位N=N0+170t-90t2。
基于鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型的細(xì)胞生物電膜面積守恒定律及離子不等量方程，所引發(fā)的一系列啟發(fā)性觀點(diǎn)，牽涉到了生命科學(xué)的本質(zhì)與規(guī)律，即：細(xì)胞膜上的離子通道可能進(jìn)出口“分別獨(dú)立”“同向共享”，H2O通道、K+通道、Na+通道、Ca2+通道可能同屬于一類通道，鈉鉀泵、鈣泵、鈉鈣交換體等可能根本不存在。這些觀點(diǎn)涉及到的問(wèn)題，是生命科學(xué)共同體必須面對(duì)且無(wú)法回避的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，不但與人類重大疾病的發(fā)病原因、治療原則與方法密切相關(guān)，而且還可能深刻地影響到生命科學(xué)領(lǐng)域科研人員今后的科研方向。
作者也再次表達(dá)了他對(duì)生命科學(xué)未來(lái)的擔(dān)憂。孫作東認(rèn)為，目前基于霍奇金離子學(xué)說(shuō)的細(xì)胞生物電現(xiàn)象的解釋，存在著顛覆性的錯(cuò)誤，卻被美國(guó)當(dāng)成了公認(rèn)的經(jīng)典基礎(chǔ)理論，寫進(jìn)了世界最具“權(quán)威”的美國(guó)生命科學(xué)高等教材中和高中主流理科教材里，導(dǎo)致了“老師講的云山霧繞，學(xué)生聽的莫名其妙”。美國(guó)的這種“誤導(dǎo)”帶偏了世界，對(duì)各國(guó)科學(xué)家及下一代的負(fù)面影響是深遠(yuǎn)的。目前的情況是，老師無(wú)法教、學(xué)生無(wú)法學(xué)，世界各國(guó)生物學(xué)教材都面臨著修改問(wèn)題。孫作東因此建議，中國(guó)應(yīng)由教育部牽頭，組織科技部、衛(wèi)健委、中科院等部門的專家學(xué)者，對(duì)生物學(xué)領(lǐng)域有關(guān)細(xì)胞生物電現(xiàn)象的知識(shí)體系，進(jìn)行認(rèn)真梳理、充分論證、多方求證，如有必要可在全世界率先修改本國(guó)的高等、中等生物學(xué)教材，引領(lǐng)世界，也體現(xiàn)了我們大國(guó)之擔(dān)當(dāng)。國(guó)家教育部在沒(méi)有搞清楚之前，應(yīng)叫停細(xì)胞生物電現(xiàn)象的解釋，不教、不學(xué)、不考。教師不應(yīng)該在沒(méi)有真正弄懂之前，教授學(xué)生；學(xué)生不應(yīng)該在沒(méi)有真正理解之前，盲目接受。
孫作東說(shuō)，中科院蒲慕明院士作為國(guó)際知名學(xué)者，在9月24日中國(guó)科學(xué)院哲學(xué)研究所揭牌儀式上代表科學(xué)家的發(fā)言，是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。他認(rèn)為，不是教科書中所有的重要理論、概念和假說(shuō)，都需要“修正”的，有的理論、概念和假說(shuō)從根本上就沒(méi)有修補(bǔ)的價(jià)值，必須要徹底拋棄，有的甚至要徹底“否定”，是“革命”或“顛覆”而不是所謂的“修正”或“革新”。比如，在細(xì)胞動(dòng)作電位下降相，鉀離子到底是“進(jìn)”還是“出”？鈉鉀泵到底是“存在”還是“不存在”？細(xì)胞膜上到底有沒(méi)有“馬達(dá)”？這些關(guān)乎到生命科學(xué)的根本問(wèn)題，不存在著“灰色地帶”?？茖W(xué)技術(shù)界，學(xué)者之間也要“紅紅臉、出出汗”。黨管一切，科學(xué)的問(wèn)題不應(yīng)該完全交給科學(xué)家來(lái)處理。
孫作東還表示，自己是一名企業(yè)科技工作者，對(duì)學(xué)術(shù)研究本不感興趣。之所以涉足學(xué)術(shù)并闡明細(xì)胞生物電現(xiàn)象，有偶然的成分，但也事出有因。他是腦功能康復(fù)治療儀、抑郁癥治療儀、帕金森病治療儀、阿爾茨海默癥治療儀的發(fā)明人。這些腦病康復(fù)治療設(shè)備，自1994年始被相繼應(yīng)用于腦神經(jīng)疾病臨床實(shí)踐中，并取得了顯著的康復(fù)治療效果。作為發(fā)明人，他為了闡明儀器設(shè)備治療機(jī)理和重大腦病的發(fā)病原因，從細(xì)胞分子水平相繼提出了“腦細(xì)胞激活論”“鳩子論”。在此過(guò)程中，孫作東發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞生物電經(jīng)典基礎(chǔ)理論——離子學(xué)說(shuō)以及依據(jù)離子學(xué)說(shuō)建立的數(shù)學(xué)模型，存在著顛覆性錯(cuò)誤。
孫作東因此追根溯源，對(duì)原有生物電知識(shí)體系進(jìn)行了梳理和批注，創(chuàng)建了K+通道“折紙風(fēng)車”模型，以及基于鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋了神經(jīng)纖維細(xì)胞與心肌細(xì)胞動(dòng)作電位發(fā)生的全過(guò)程，進(jìn)而提出了細(xì)胞生物電膜面積守恒定律和建立了離子不等量方程。有關(guān)細(xì)胞生物電現(xiàn)象的系列“學(xué)術(shù)”成果，是孫作東在履行本職工作過(guò)程中的意外發(fā)現(xiàn)。他說(shuō)，有了新發(fā)現(xiàn)回饋給科學(xué)共同體，也是基層科技工作者的義務(wù)與責(zé)任。
孫作東還介紹說(shuō)，自己的一系列基礎(chǔ)科學(xué)理論研究成果，并沒(méi)有投入多少經(jīng)費(fèi)。他結(jié)合自己的切身體會(huì)認(rèn)為，科學(xué)創(chuàng)新，需要敬畏“不確定性”，尊重“多元嘗試”，勝出者從來(lái)就“無(wú)法事先指定”。所以，國(guó)家現(xiàn)在的人才評(píng)價(jià)破“四唯”舉措是英明之舉，科學(xué)家群體應(yīng)深入領(lǐng)會(huì)習(xí)近平主席提出的“四個(gè)自信”“四個(gè)面向”的精神內(nèi)涵。
他因此還建議，科學(xué)創(chuàng)新，國(guó)家應(yīng)為各種不同的主體提供參與的機(jī)會(huì)，基礎(chǔ)科研經(jīng)費(fèi)的投入不應(yīng)定向支持“大平臺(tái)”，特別適宜“滴水漫灌”。在體制內(nèi)，針對(duì)碩博群體，特別是在讀博士生，國(guó)家應(yīng)普遍提高他們的生活補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)并直補(bǔ)到位，與所在單位、課題組及導(dǎo)師無(wú)關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于他們的同齡人參加工作的平均工資，以確保他們財(cái)務(wù)自由、學(xué)術(shù)自由、時(shí)間自由，鼓勵(lì)他們?cè)趨f(xié)助導(dǎo)師做好課題之外自由選題；在體制外，民間智慧潛力巨大，對(duì)涌現(xiàn)出的科學(xué)創(chuàng)新人才與成果，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的特殊評(píng)價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)政策，開設(shè)綠色通道，實(shí)行成果后補(bǔ)助。這么做，幾年后回頭再看，投入可能沒(méi)有增加，但產(chǎn)出可能會(huì)異?？捎^。
孫作東研究員介紹，在“新冠”疫情期間，他共撰寫了三篇論文。除了本篇論文外，還有二篇論文《用鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋心肌細(xì)胞動(dòng)作電位發(fā)生機(jī)制》《基于鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型的啟發(fā)性觀點(diǎn)》也已在國(guó)際期刊上公開發(fā)表。此三篇論文與2015年發(fā)表的《腦細(xì)胞激活論》、2019年發(fā)表的《鳩子論》《鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型》《用鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋細(xì)胞動(dòng)作電位發(fā)生機(jī)制》等論文一脈相承，均涉及到了生命科學(xué)的基本問(wèn)題。
這些生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究成果與實(shí)踐成果相輔相成，縱向得到了國(guó)家及黑龍江省、哈爾濱市的支持，特別是國(guó)家科技部；橫向得到了企業(yè)的支持，尤其是哈爾濱奧博醫(yī)療器械有限公司。相關(guān)論文的英文版、中文版也已分別在國(guó)際預(yù)印本平臺(tái)zenodo.org、vixra.org、osf.io以及國(guó)內(nèi)預(yù)印本平臺(tái)中國(guó)科技論文在線、NSTL國(guó)家科技文獻(xiàn)中心、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)腦科學(xué)網(wǎng)公開發(fā)布。（王愛麗）
原鏈接：https://nb.ifeng.com/c/80uTOFAci12
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