破解生物学领域百年未解之难题 学者孙作东阐明细胞生物电现象

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破解生物学领域百年未解之难题 学者孙作东阐明细胞生物电现象...《破解生物学领域百年未解之难题 学者孙作东阐明细胞生物电现象

近日,美国医学科学期刊UCMS刊发了我国学者孙作东撰写的论文——细胞生物电膜面积守恒定律及离子不等量方程,论文对细胞生物电现象产生机制进行了科学合理地阐释,从根本上颠覆了霍奇金学派创立的离子学说以及依据离子学说建立的GHK方程和H-H方程,开辟了一种科学量化描述细胞动作电位新的方法和途径。这是我国在生命科学基础理论研究领域取得的又一重大突破,这一颠覆性成果有助于从源头上回答人类健康和疾病的基本生物学问题。

之前,人类对细胞生物电现象的认识存在误区,甚至是颠覆性的错误。公元前300多年,亚里士多德观察到“电鳐”可能“带电”;1758年,卡文迪许用莱顿瓶证明了生物电的存在;1786年,伽伐尼在解剖青蛙时偶然发现生物组织带电,并于1791年把这种现象正式称为生物电现象;1902年,伯恩斯坦提出了膜学说,认为生物组织在没有刺激或兴奋时,本身就有生物电存在;1939年,霍奇金等直接测量到了膜内外电位差,并在膜学说基础上提出了离子学说。

目前,解释细胞生物电现象的理论基础就是霍奇金学派创立的离子学说以及依据离子学说所建立的GHK方程与H-H方程。但是,膜学说正确的部分,离子学说没有明确肯定;膜学说错误的部分,离子学说也没有明确否定,反而在后期又得到了进一步强化。无论是膜学说还是离子学说,提出者都忽视了离子通道的结构与特点,没有发现细胞膜内外离子交换的本质和规律。所以,依据离子学说建立的GHK方程和H-H方程,存在着致命缺陷,致使后来的一系列实验研究工作误入歧途,使问题变得复杂和让人难以理解。应用离子学说,正向推演,逻辑上无法自洽,而且与实验结果相矛盾;逆向推演,在下一时程前无法还原到动作电位的初始状态。

霍奇金的“离子学说”现在的处境,如同当年托勒密的“地心说”,始终无法“自圆其说”。事实上,人类对细胞生物电现象背后奥秘的认知并不十分清晰,甚至出现了颠覆性的错误。可以说,自亚里士多德发现“电鳐”“带电”的2300多年间,或自伯恩斯坦膜学说提出至今的118年间,细胞生物电现象一直是生物学领域未解世界之难题。

本文就是基于K+通道“折纸风车”模型原理和伯恩斯坦膜学说,提出了新的离子学说——膜面积守恒定律,以及基于膜面积守恒定律建立了新的数学模型——离子不等量方程,对细胞生物电现象产生机制进行了完美、科学、合理地阐释。

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狗“伪腱”自发电活动。摘自美国医学科学期刊UCMS刊发的论文

《细胞生物电膜面积守恒定律及离子不等量方程》

膜面积守恒定律,认为生物电活动是不同阳离子在细胞膜内表面互相置换的过程,Cl-在细胞膜形成之初就已经被细胞膜围在胞内,决定了细胞动作电位的“正”与“负”;Na+、K+等阳离子,在细胞膜内表面互相置换的数量决定了动作电位的幅值,互相置换的比例遵守膜面积相等离子数量不相等原则。细胞膜面积守恒定律表达式:SA(t)+SB(t)=S0。

离子不等量方程,引用了运动学原理,从根本上揭示了细胞生物电现象产生的规律,合理规避了细胞膜膨胀力和离子驱动力,完成了对生物电发生机制由定性到定量的表达,开辟了一种科学量化描述细胞动作电位新的方法和途径,与GHK方程与H-H方程相比,简单易学实用。离子不等量方程表达式:静息电位N=N0+Vt,动作电位N=N0+170t-90t2。

基于钾离子通道“折纸风车”模型的细胞生物电膜面积守恒定律及离子不等量方程,所引发的一系列启发性观点,牵涉到了生命科学的本质与规律,即:细胞膜上的离子通道可能进出口“分别独立”“同向共享”,H2O通道、K+通道、Na+通道、Ca2+通道可能同属于一类通道,钠钾泵、钙泵、钠钙交换体等可能根本不存在。这些观点涉及到的问题,是生命科学共同体必须面对且无法回避的一个现实问题,不但与人类重大疾病的发病原因、治疗原则与方法密切相关,而且还可能深刻地影响到生命科学领域科研人员今后的科研方向。

作者也再次表达了他对生命科学未来的担忧。孙作东认为,目前基于霍奇金离子学说的细胞生物电现象的解释,存在着颠覆性的错误,却被美国当成了公认的经典基础理论,写进了世界最具“权威”的美国生命科学高等教材中和高中主流理科教材里,导致了“老师讲的云山雾绕,学生听的莫名其妙”。美国的这种“误导”带偏了世界,对各国科学家及下一代的负面影响是深远的。目前的情况是,老师无法教、学生无法学,世界各国生物学教材都面临着修改问题。孙作东因此建议,中国应由教育部牵头,组织科技部、卫健委、中科院等部门的专家学者,对生物学领域有关细胞生物电现象的知识体系,进行认真梳理、充分论证、多方求证,如有必要可在全世界率先修改本国的高等、中等生物学教材,引领世界,也体现了我们大国之担当。国家教育部在没有搞清楚之前,应叫停细胞生物电现象的解释,不教、不学、不考。教师不应该在没有真正弄懂之前,教授学生;学生不应该在没有真正理解之前,盲目接受。

孙作东说,中科院蒲慕明院士作为国际知名学者,在9月24日中国科学院哲学研究所揭牌仪式上代表科学家的发言,是很不严谨的。他认为,不是教科书中所有的重要理论、概念和假说,都需要“修正”的,有的理论、概念和假说从根本上就没有修补的价值,必须要彻底抛弃,有的甚至要彻底“否定”,是“革命”或“颠覆”而不是所谓的“修正”或“革新”。比如,在细胞动作电位下降相,钾离子到底是“进”还是“出”?钠钾泵到底是“存在”还是“不存在”?细胞膜上到底有没有“马达”?这些关乎到生命科学的根本问题,不存在着“灰色地带”。科学技术界,学者之间也要“红红脸、出出汗”。

孙作东还表示,自己是一名企业科技工作者,对学术研究本不感兴趣。之所以涉足学术并阐明细胞生物电现象,有偶然的成分,但也事出有因。他是脑功能康复治疗仪、抑郁症治疗仪、帕金森病治疗仪、阿尔茨海默症治疗仪的发明人。这些脑病康复治疗设备,自1994年始被相继应用于脑神经疾病临床实践中,并取得了显著的康复治疗效果。作为发明人,他为了阐明仪器设备治疗机理和重大脑病的发病原因,从细胞分子水平相继提出了“脑细胞激活论”“鸠子论”。在此过程中,孙作东发现了细胞生物电经典基础理论——离子学说以及依据离子学说建立的数学模型,存在着颠覆性错误。

孙作东因此追根溯源,对原有生物电知识体系进行了梳理和批注,创建了K+通道“折纸风车”模型,以及基于钾离子通道“折纸风车”模型阐释了神经纤维细胞与心肌细胞动作电位发生的全过程,进而提出了细胞生物电膜面积守恒定律和建立了离子不等量方程。有关细胞生物电现象的系列“学术”成果,是孙作东在履行本职工作过程中的意外发现。他说,有了新发现回馈给科学共同体,也是基层科技工作者的义务与责任。

孙作东还介绍说,自己的一系列基础科学理论研究成果,并没有投入多少经费。他结合自己的切身体会认为,科学创新,需要敬畏“不确定性”,尊重“多元尝试”,胜出者从来就“无法事先指定”。所以,国家现在的人才评价破“四唯”举措是英明之举,科学家群体应深入领会习主席提出的“四个自信”“四个面向”的精神内涵。

他因此还建议,科学创新,国家应为各种不同的主体提供参与的机会,基础科研经费的投入不应定向支持“大平台”,特别适宜“滴水漫灌”。在体制内,针对硕博群体,特别是在读博士生,国家应普遍提高他们的生活补助标准并直补到位,与所在单位、课题组及导师无关,标准不应低于他们的同龄人参加工作的平均工资,以确保他们财务自由、学术自由、时间自由,鼓励他们在协助导师做好课题之外自由选题;在体制外,民间智慧潜力巨大,对涌现出的科学创新人才与成果,国家应出台相应的特殊评价奖励政策,开设绿色通道,实行成果后补助。这么做,几年后回头再看,投入可能没有增加,但产出可能会异常可观。

孙作东研究员介绍,在“新冠”疫情期间,他共撰写了三篇论文。除了本篇论文外,还有二篇论文《用钾离子通道“折纸风车”模型阐释心肌细胞动作电位发生机制》《基于钾离子通道“折纸风车”模型的启发性观点》也已在国际期刊上公开发表。此三篇论文与2015年发表的《脑细胞激活论》、2019年发表的《鸠子论》《钾离子通道“折纸风车”模型》《用钾离子通道“折纸风车”模型阐释细胞动作电位发生机制》等论文一脉相承,均涉及到了生命科学的基本问题。

这些生命科学基础理论研究成果与实践成果相辅相成,纵向得到了国家及黑龙江省、哈尔滨市的支持,特别是国家科技部;横向得到了企业的支持,尤其是哈尔滨奥博医疗器械有限公司。相关论文的英文版、中文版也已分别在国际预印本平台zenodo.org、vixra.org、osf.io以及国内预印本平台中国科技论文在线、NSTL国家科技文献中心、中国科学院、中国脑科学网公开发布。(王爱丽)

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