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【奧博資訊】學(xué)者孫作東推翻生命科學(xué)基礎(chǔ)經(jīng)典理論霍奇金的“離子學(xué)說”
發(fā)布時間：
2021-05-07
近日，在美國醫(yī)學(xué)科學(xué)期刊Journal of US-China Medical Science (UCMS)同期刊發(fā)黑龍江省亞歐腦科學(xué)研究院孫作東研究員的二篇論文——Enlightening Point of View Based on Potassium Channel “Origami Windmill” Model（基于鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型的啟發(fā)性觀點(diǎn)）、Interpretation of Action Potential Generation Mechanism in Cardiomyocytes by Potassium Channel “Origami Windmill” Model（用鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋心肌細(xì)胞動作電位發(fā)生機(jī)制）。其中，《啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文用了23個版面對1902年以后有關(guān)細(xì)胞生物電產(chǎn)生機(jī)制的基礎(chǔ)理論研究與經(jīng)典基礎(chǔ)實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行了梳理與批注，從根本上推翻了Hodgkin學(xué)派創(chuàng)立的“經(jīng)典”理論——離子學(xué)說，徹底否定了依據(jù)離子學(xué)說建立的數(shù)學(xué)模型——Goldman-Hodgkin-Katz（GHK）方程與Hodgkin-Huxley（H-H）方程。
近日，在美國醫(yī)學(xué)科學(xué)期刊Journal of US-China Medical Science (UCMS)同期刊發(fā)黑龍江省亞歐腦科學(xué)研究院孫作東研究員的二篇論文——Enlightening Point of View Based on Potassium Channel “Origami Windmill” Model（基于鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型的啟發(fā)性觀點(diǎn)）、Interpretation of Action Potential Generation Mechanism in Cardiomyocytes by Potassium Channel “Origami Windmill” Model（用鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋心肌細(xì)胞動作電位發(fā)生機(jī)制）。其中，《啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文用了23個版面對1902年以后有關(guān)細(xì)胞生物電產(chǎn)生機(jī)制的基礎(chǔ)理論研究與經(jīng)典基礎(chǔ)實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行了梳理與批注，從根本上推翻了Hodgkin學(xué)派創(chuàng)立的“經(jīng)典”理論——離子學(xué)說，徹底否定了依據(jù)離子學(xué)說建立的數(shù)學(xué)模型——Goldman-Hodgkin-Katz（GHK）方程與Hodgkin-Huxley（H-H）方程。
細(xì)胞的生物電現(xiàn)象，是細(xì)胞的基本特征。1939年，Hodgkin與Huxley測出了神經(jīng)纖維細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。目前，解釋細(xì)胞生物電現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)就是Hodgkin學(xué)派創(chuàng)立的離子學(xué)說以及依據(jù)離子學(xué)說所建立的GHK方程與H-H方程。事實(shí)上，人類對細(xì)胞的生物電現(xiàn)象的理解，并不清楚甚至出現(xiàn)了顛覆性的認(rèn)知。自1902年Bernstein膜學(xué)說提出至今的118年間，細(xì)胞的生物電現(xiàn)象一直是生物學(xué)領(lǐng)域未解世界之難題。
論文作者孫作東研究員自1994年始，應(yīng)用經(jīng)顱電、經(jīng)顱磁電刺激技術(shù)發(fā)明的系列腦病康復(fù)治療設(shè)備——腦功能康復(fù)治療儀（1995）、抑郁癥治療儀（2011）、帕金森病治療儀（2011）、阿爾茨海默癥治療儀（2014）等，均為世界首創(chuàng)，被廣泛地應(yīng)用于腦神經(jīng)疾病臨床實(shí)踐中，取得了顯著的康復(fù)治療效果。作為發(fā)明人，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，應(yīng)用物理生物學(xué)原理，從細(xì)胞分子水平相繼提出了“腦細(xì)胞激活論”（2015）、“鳩子論”（2019）以及“K+通道‘折紙風(fēng)車’模型”（2019）。K+通道“折紙風(fēng)車”模型的建立，經(jīng)歷了實(shí)踐—理論—再實(shí)踐—再理論的推演過程。應(yīng)用“折紙風(fēng)車”模型原理，已經(jīng)合理地闡釋了神經(jīng)纖維細(xì)胞與心肌細(xì)胞動作電位發(fā)生的全過程，因此得出的核心觀點(diǎn)與傳統(tǒng)理論離子學(xué)說背道而馳，即：細(xì)胞動作電位下降相，由K+內(nèi)流所主導(dǎo)。離子學(xué)說則認(rèn)為，細(xì)胞動作電位下降相，由K+外流所主導(dǎo)。面對如此截然相反的兩種觀點(diǎn)，作者追根溯源，對原有知識體系進(jìn)行了梳理和批注，認(rèn)為：
離子學(xué)說存在先天性不足。離子學(xué)說的基礎(chǔ)是膜學(xué)說，離子學(xué)說對膜學(xué)說可能正確的觀點(diǎn)沒有明確肯定，對膜學(xué)說可能錯誤的觀點(diǎn)也沒有明確否定。無論是膜學(xué)說還是離子學(xué)說，都忽視了離子通道的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)——進(jìn)出口分別獨(dú)立、離子進(jìn)出通道“同向共享”，沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞動作電位的本質(zhì)和膜內(nèi)外離子交換的規(guī)律——膜面積守恒而離子數(shù)量不相等，致使后來的一系列實(shí)驗研究工作誤入歧途，使解決問題的方法變得越來越復(fù)雜和讓人難以理解了。應(yīng)用離子學(xué)說，正向推演，邏輯上無法自洽，而且與實(shí)驗結(jié)果相矛盾；逆向推演，在下一時程前無法還原到動作電位的初始狀態(tài)。離子學(xué)說現(xiàn)在的處境，就如同當(dāng)年托勒密的“地心說”一樣，科學(xué)家們?yōu)榱司S護(hù)地心說，在理論計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)不符的情況下，將幾十個“本輪”“均輪”加到了既有體系上，結(jié)果是地心說依然無法自圓其說。
GHK方程與H-H方程存在原則性缺陷。GHK方程，引用Gibbs-Donnan平衡原理、定場學(xué)說是錯誤的，更不適合應(yīng)用Nernst方程進(jìn)行計算，而H-H方程引用歐姆定律和膜電導(dǎo)，看似合情合理，實(shí)則犯了方向錯誤，并誤導(dǎo)了之后的科學(xué)家們，而將Na+、Cl-、K+、Ca2+等離子的濃度的變化量作為模型的主要參數(shù)，更是GHK方程與H-H方程的致命缺陷。非常矛盾的是，這些原理和公式不適合被引用的原因，卻被當(dāng)成了引用的理由。在此基礎(chǔ)上，推演出的GHK方程、H-H方程是缺少科學(xué)依據(jù)的。“四個參數(shù)畫大象，五個參數(shù)鼻子晃”，用缺少科學(xué)依據(jù)的數(shù)學(xué)模型解釋一個自然科學(xué)現(xiàn)象，無論這種解釋多么完美多么神秘，其科學(xué)性及適用性都應(yīng)存疑。起步于歐姆定律，結(jié)果卻不能與歐姆定律自洽，這不符合奧卡姆剃刀原理——若無必要，勿增加實(shí)體。
基于離子學(xué)說及GHK方程、H-H方程存在的不足與缺陷，所產(chǎn)生的一系列啟發(fā)性觀點(diǎn)，牽涉到了生命科學(xué)的根本問題。離子通道可能“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，四種通道蛋白立體結(jié)構(gòu)，很可能是同一個或同一類通道在不同狀態(tài)時所表現(xiàn)出的四種不同“構(gòu)象”，而不是或不代表是四種不同的離子通道。鈉-鉀泵、鈣泵、鈉鈣交換體等可能根本不存在，應(yīng)用離子學(xué)說正反向推演的結(jié)論都證明了鈉-鉀泵、鈣泵、鈉鈣交換體的存在是不合理的；應(yīng)用“折紙風(fēng)車”模型原理，對細(xì)胞動作電位實(shí)驗結(jié)果給出了十分合理的解釋，不涉及鈉-鉀泵、鈣泵、鈉鈣交換體，說明了鈉-鉀泵、鈣泵、鈉鈣交換體的存在是不必要的；如果K+漏通道能夠單獨(dú)存在，相當(dāng)于否定了離子學(xué)說，K+漏通道應(yīng)歸屬于“L通道”。
這些觀點(diǎn)涉及到的問題，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。論文的觀點(diǎn)均可證偽，如果能夠證明“細(xì)胞動作電位下降相，由K+外流所主導(dǎo)”，本文的所有觀點(diǎn)都將是不成立的。反之，本文的系列啟發(fā)性觀點(diǎn)將會不可避免地引發(fā)生命科學(xué)領(lǐng)域的一場革命。
論文中明確指出，今天的生物科學(xué)家多以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)來研究生物學(xué)問題，并把數(shù)學(xué)模型當(dāng)成是生物世界的真實(shí)存在。當(dāng)數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗測得的結(jié)果不一致的時候，不是首先懷疑數(shù)學(xué)模型的錯誤，而是用削足適履的方式讓實(shí)驗結(jié)果去附和數(shù)學(xué)模型，這種做法的后果就是一場災(zāi)難，導(dǎo)致了現(xiàn)代生物科學(xué)陷入到了一個非常難以自拔的困境，且越陷越深。
論文中也體現(xiàn)了作者對生命科學(xué)未來的擔(dān)憂。認(rèn)為，1902年至今生命科學(xué)知識的累加，似乎已經(jīng)到了積重難返的地步。如果基礎(chǔ)理論從根本上就已經(jīng)存在缺陷，將如何糾正？由誰來糾正？這是生命科學(xué)共同體必須面對且無法回避的一個現(xiàn)實(shí)問題。這些尚存異議的“基礎(chǔ)知識”卻被美國當(dāng)成了“公認(rèn)”的理論，寫進(jìn)了世界“最具權(quán)威”的優(yōu)秀生命科學(xué)高等教材中和高中主流理科教材里。例如，美國貝爾主編的《神經(jīng)科學(xué)：探索腦》，美國埃里克R.坎德爾等著的《神經(jīng)科學(xué)原理》，美國B.艾伯茨等著的《細(xì)胞生物學(xué)精要》，美國伯魯塞爾等著的《細(xì)胞的分子生物學(xué)》，美國R.菲利普斯等著的《細(xì)胞的物理生物學(xué)》，美國奧爾頓·比格斯等著的《生物：生命的動力》……這些世界“最具權(quán)威”的生命科學(xué)教材，對世界各國的影響是深遠(yuǎn)的。目前，世界各國都在面臨教材更改問題?，F(xiàn)在，教師怎么教？學(xué)生怎么學(xué)？可以說，美國誤導(dǎo)了全世界。
論文通過對細(xì)胞生物電的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)實(shí)驗的梳理，讓學(xué)界同仁基本看清了細(xì)胞生物電解釋的來龍去脈，其中關(guān)鍵性人物是Hodgkin，Huxley，Eccles，Katz，Skou和Agre P.，Mackinon等7位諾貝爾獎獲得者，同時批判性地引用了美國科學(xué)院外籍院士、清華大學(xué)顏寧（Nieng Yan）有關(guān)Na+通道、Ca2+通道以及人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1冷凍電鏡三維晶體結(jié)構(gòu)的論文，使問題變得日益復(fù)雜的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)是1949年、1957年、1960年和1988、1998年。作者因此建議，生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)W者對現(xiàn)有生物電知識體系進(jìn)行再梳理——去偽存真、正本清源，特別要重點(diǎn)關(guān)注Hodgkin和Huxley在1952年發(fā)表的論文：A Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve。
作者認(rèn)為，離子學(xué)說及依據(jù)離子學(xué)說所建立的GHK方程與H-H方程，已經(jīng)沒有修補(bǔ)的價值，被徹底否定和摒棄是一種必然。同時有必要基于Bernstein膜學(xué)說提出新的學(xué)說和建立細(xì)胞動作電位新的數(shù)學(xué)模型，對細(xì)胞生物電發(fā)生機(jī)制重新做出科學(xué)的合理的解釋。同期刊發(fā)的《用鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋心肌細(xì)胞動作電位發(fā)生機(jī)制》論文，對當(dāng)前乃至今后心臟的基礎(chǔ)理論研究和臨床實(shí)際，具有深遠(yuǎn)影響和重大意義，因為心肌細(xì)胞動作電位的研究與神經(jīng)纖維細(xì)胞的研究同等重要，心肌細(xì)胞動作電位理論基礎(chǔ)就是神經(jīng)纖維細(xì)胞所形成的“離子學(xué)說”。
孫作東研究員介紹，在“新冠”疫情期間，他共撰寫了三篇論文，除了在UCMS同期發(fā)表的二篇論文外，還有Conservation Law of Cell Bioelectricity Membrane Area and Ion Inequality Equation Based on Potassium Channel“Origami Windmill” Model（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），也將擇期在國際期刊上發(fā)表。此三篇論文與2015年發(fā)表的The Theory of Brain Cell Activation（腦細(xì)胞激活論）、2019年發(fā)表的The Theory of Dove-like Particles（鳩子論）、Potassium Channel Origami Windmill Model（鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型）、Interpretation of Action Potential Generation Mechanism in Cells by Potassium Channel “Origami Windmill” Model（用鉀離子通道“折紙風(fēng)車”模型闡釋細(xì)胞動作電位發(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，縱向得到了國家及黑龍江省、哈爾濱市的支持，特別是國家科技部；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)論文中英文版分別在zenodo.org、vixra.org、osf.io以及中國科技論文在線、NSTL國家科技文獻(xiàn)中心、中國科學(xué)院科技論文預(yù)發(fā)布平臺、腦科學(xué)網(wǎng)上公開發(fā)布。（愛麗/文）
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