我国在生命科学基础理论研究领域又取得重大突破

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。

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。

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。

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。 

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）