破解生物學領域百年未解之難題 學者孫作東闡明細胞生物電現象

近日，美國醫學科學期刊UCMS刊發了我國學者孫作東撰寫的論文——細胞生物電膜面積守恆定律及離子不等量方程，論文對細胞生物電現象產生機制進行了科學合理地闡釋，從根本上顛覆了霍奇金學派創立的離子學說以及依據離子學說建立的GHK方程和H-H方程，開闢了一種科學量化描述細胞動作電位新的方法和途徑。這是我國在生命科學基礎理論研究領域取得的又一重大突破，這一顛覆性成果有助於從源頭上回答人類健康和疾病的基本生物學問題。

之前，人類對細胞生物電現象的認識存在誤區，甚至是顛覆性的錯誤。公元前300多年，亞里斯多德觀察到「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偶然發現生物組織帶電，並於1791年把這種現象正式稱為生物電現象；1902年，伯恩斯坦提出了膜學說，認為生物組織在沒有刺激或興奮時，本身就有生物電存在；1939年，霍奇金等直接測量到了膜內外電位差，並在膜學說基礎上提出了離子學說。

目前，解釋細胞生物電現象的理論基礎就是霍奇金學派創立的離子學說以及依據離子學說所建立的GHK方程與H-H方程。但是，膜學說正確的部分，離子學說沒有明確肯定；膜學說錯誤的部分，離子學說也沒有明確否定，反而在後期又得到了進一步強化。無論是膜學說還是離子學說，提出者都忽視了離子通道的結構與特點，沒有發現細胞膜內外離子交換的本質和規律。所以，依據離子學說建立的GHK方程和H-H方程，存在著致命缺陷，致使後來的一系列實驗研究工作誤入歧途，使問題變得複雜和讓人難以理解。應用離子學說，正向推演，邏輯上無法自洽，而且與實驗結果相矛盾；逆向推演，在下一時程前無法還原到動作電位的初始狀態。

霍奇金的「離子學說」現在的處境，如同當年託勒密的「地心說」，始終無法「自圓其說」。事實上，人類對細胞生物電現象背後奧秘的認知並不十分清晰，甚至出現了顛覆性的錯誤。可以說，自亞里斯多德發現「電鰩」「帶電」的2300多年間，或自伯恩斯坦膜學說提出至今的118年間，細胞生物電現象一直是生物學領域未解世界之難題。

本文就是基於K+通道「摺紙風車」模型原理和伯恩斯坦膜學說，提出了新的離子學說——膜面積守恆定律，以及基於膜面積守恆定律建立了新的數學模型——離子不等量方程，對細胞生物電現象產生機制進行了完美、科學、合理地闡釋。

狗「偽腱」自發電活動。摘自美國醫學科學期刊UCMS刊發的論文

《細胞生物電膜面積守恆定律及離子不等量方程》

膜面積守恆定律，認為生物電活動是不同陽離子在細胞膜內表面互相置換的過程，Cl-在細胞膜形成之初就已經被細胞膜圍在胞內，決定了細胞動作電位的「正」與「負」；Na+、K+等陽離子，在細胞膜內表面互相置換的數量決定了動作電位的幅值，互相置換的比例遵守膜面積相等離子數量不相等原則。細胞膜面積守恆定律表達式：SA(t)+SB(t)=S0。

離子不等量方程，引用了運動學原理，從根本上揭示了細胞生物電現象產生的規律，合理規避了細胞膜膨脹力和離子驅動力，完成了對生物電發生機制由定性到定量的表達，開闢了一種科學量化描述細胞動作電位新的方法和途徑，與GHK方程與H-H方程相比，簡單易學實用。離子不等量方程表達式：靜息電位N=N0+Vt，動作電位N=N0+170t-90t2。

基於鉀離子通道「摺紙風車」模型的細胞生物電膜面積守恆定律及離子不等量方程，所引發的一系列啟發性觀點，牽涉到了生命科學的本質與規律，即：細胞膜上的離子通道可能進出口「分別獨立」「同向共享」，H2O通道、K+通道、Na+通道、Ca2+通道可能同屬於一類通道，鈉鉀泵、鈣泵、鈉鈣交換體等可能根本不存在。這些觀點涉及到的問題，是生命科學共同體必須面對且無法迴避的一個現實問題，不但與人類重大疾病的發病原因、治療原則與方法密切相關，而且還可能深刻地影響到生命科學領域科研人員今後的科研方向。 

作者也再次表達了他對生命科學未來的擔憂。孫作東認為，目前基於霍奇金離子學說的細胞生物電現象的解釋，存在著顛覆性的錯誤，卻被美國當成了公認的經典基礎理論，寫進了世界最具「權威」的美國生命科學高等教材中和高中主流理科教材裡，導致了「老師講的雲山霧繞，學生聽的莫名其妙」。美國的這種「誤導」帶偏了世界，對各國科學家及下一代的負面影響是深遠的。目前的情況是，老師無法教、學生無法學，世界各國生物學教材都面臨著修改問題。孫作東因此建議，中國應由教育部牽頭，組織科技部、衛健委、中科院等部門的專家學者，對生物學領域有關細胞生物電現象的知識體系，進行認真梳理、充分論證、多方求證，如有必要可在全世界率先修改本國的高等、中等生物學教材，引領世界，也體現了我們大國之擔當。國家教育部在沒有搞清楚之前，應叫停細胞生物電現象的解釋，不教、不學、不考。教師不應該在沒有真正弄懂之前，教授學生；學生不應該在沒有真正理解之前，盲目接受。

孫作東說，中科院蒲慕明院士作為國際知名學者，在9月24日中國科學院哲學研究所揭牌儀式上代表科學家的發言，是很不嚴謹的。他認為，不是教科書中所有的重要理論、概念和假說，都需要「修正」的，有的理論、概念和假說從根本上就沒有修補的價值，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，在細胞動作電位下降相，鉀離子到底是「進」還是「出」？鈉鉀泵到底是「存在」還是「不存在」？細胞膜上到底有沒有「馬達」？這些關乎到生命科學的根本問題，不存在著「灰色地帶」。科學技術界，學者之間也要「紅紅臉、出出汗」。

孫作東還表示，自己是一名企業科技工作者，對學術研究本不感興趣。之所以涉足學術並闡明細胞生物電現象，有偶然的成分，但也事出有因。他是腦功能康復治療儀、抑鬱症治療儀、帕金森病治療儀、阿爾茨海默症治療儀的發明人。這些腦病康復治療設備，自1994年始被相繼應用於腦神經疾病臨床實踐中，並取得了顯著的康復治療效果。作為發明人，他為了闡明儀器設備治療機理和重大腦病的發病原因，從細胞分子水平相繼提出了「腦細胞激活論」「鳩子論」。在此過程中，孫作東發現了細胞生物電經典基礎理論——離子學說以及依據離子學說建立的數學模型，存在著顛覆性錯誤。

孫作東因此追根溯源，對原有生物電知識體系進行了梳理和批註，創建了K+通道「摺紙風車」模型，以及基於鉀離子通道「摺紙風車」模型闡釋了神經纖維細胞與心肌細胞動作電位發生的全過程，進而提出了細胞生物電膜面積守恆定律和建立了離子不等量方程。有關細胞生物電現象的系列「學術」成果，是孫作東在履行本職工作過程中的意外發現。他說，有了新發現回饋給科學共同體，也是基層科技工作者的義務與責任。

孫作東還介紹說，自己的一系列基礎科學理論研究成果，並沒有投入多少經費。他結合自己的切身體會認為，科學創新，需要敬畏「不確定性」，尊重「多元嘗試」，勝出者從來就「無法事先指定」。所以，國家現在的人才評價破「四唯」舉措是英明之舉，科學家群體應深入領會習主席提出的「四個自信」「四個面向」的精神內涵。

他因此還建議，科學創新，國家應為各種不同的主體提供參與的機會，基礎科研經費的投入不應定向支持「大平臺」，特別適宜「滴水漫灌」。在體制內，針對碩博群體，特別是在讀博士生，國家應普遍提高他們的生活補助標準並直補到位，與所在單位、課題組及導師無關，標準不應低於他們的同齡人參加工作的平均工資，以確保他們財務自由、學術自由、時間自由，鼓勵他們在協助導師做好課題之外自由選題；在體制外，民間智慧潛力巨大，對湧現出的科學創新人才與成果，國家應出臺相應的特殊評價獎勵政策，開設綠色通道，實行成果後補助。這麼做，幾年後回頭再看，投入可能沒有增加，但產出可能會異常可觀。

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「摺紙風車」模型闡釋心肌細胞動作電位發生機制》《基於鉀離子通道「摺紙風車」模型的啟發性觀點》也已在國際期刊上公開發表。此三篇論文與2015年發表的《腦細胞激活論》、2019年發表的《鳩子論》《鉀離子通道「摺紙風車」模型》《用鉀離子通道「摺紙風車」模型闡釋細胞動作電位發生機制》等論文一脈相承，均涉及到了生命科學的基本問題。

這些生命科學基礎理論研究成果與實踐成果相輔相成，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；橫向得到了企業的支持，尤其是哈爾濱奧博醫療器械有限公司。相關論文的英文版、中文版也已分別在國際預印本平臺zenodo.org、vixra.org、osf.io以及國內預印本平臺中國科技論文在線、NSTL國家科技文獻中心、中國科學院、中國腦科學網公開發布。（王愛麗）