诺贝尔奖得主Erwin Neher教授为本科生做科学前沿讲座

物理知识成就诺贝尔生理学或医学奖

  • 文:牟泽鹏(国科大记者团) 图:杨天鹏 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2016-04-05
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2016年4月4日,清明节小长假的最后一天,中国科学院大学玉泉路校区礼堂迎来了一位重量级嘉宾——1991年诺贝尔生理学或医学奖得主、德国生物物理学家Erwin Neher教授。Erwin Neher教授应他的学生、中国科学院生物物理所所长、国科大生命科学学院副院长徐涛之邀,为国科大本科生科学前沿进展名家系列讲座II做第34场讲座:“Ion Channels: Their Discovery, their Function, and their Role in Disease(离子通道的发现、功能以及与疾病的关系)”。

Erwin Neher教授的讲座全程用英文进行

本次讲座全程用英语进行,由大一生物专业1507班黄健怡同学主持。徐涛在讲座开始前这样介绍主讲人,也是他留学德国时的博士生导师Erwin Neher教授——“Neher教授1963到1966年在慕尼黑工业大学学习物理,他先物理后生物的研究道路,与国科大本科生先打数理基础,后学专业知识的培养模式不谋而合。”

Neher教授首先简单回顾了历史上科学家对生物电现象的研究。他介绍了文艺复兴后期的意大利科学家Luigi Galvani,Galvani通过研究蛙腿成为第一个发现生物电现象的人(今天英语中的单词galvanize有可能就来源与此)。接着,Neher教授介绍了其他几位科学家对动作电位的记录,并特别指出,1952年Hodgkin和Huxley的研究表明,乌贼大神经中Na+的外流和K+的内流与动作电位的产生有关系,这便产生了细胞膜上存在快速转运离子的通道蛋白的假说。
   在博士期间,Neher教授记录了蜗牛中神经的动作电位产生。这之后,他决心验证离子通道的存在。为此,他希望设计一种全新的测量仪器,这种仪器不需要刺穿质膜,只需要在质膜外侧就可以完成测量。不过,随之而来的有两个问题。首先,单个离子通道产生的电流是pA量级的,而现有的仪器只能在单个细胞水平测量10-10A的电流。因此,单个离子通道的电流比整体噪声还要小。其次,他们所设计的玻璃电极与细胞膜不能完全贴合,因此泄露的离子会产生大量噪声。经过两年多的努力,Neher和他的合作者终于解决了这两个问题,从而证明了离子通道的存在。
   其实,膜片钳技术的伟大之处不在于它验证了离子通道的存在,而在于它令人意想不到的应用前景。这也正是Neher教授在讲座的第二部分所涉及的内容。他指出,膜片钳的应用至少产生了三个令人惊讶的结果:(1)离子通道不仅存在于能被“激活”的那些细胞当中,而是广泛地在不同细胞内发挥各种各样的功能;(2)离子通道是许多种药物的靶点;(3)缺陷的离子通道会引发疾病。比如,心律失常、Ⅱ型糖尿病和囊性纤维病等都与离子通道的功能异常有关。又比如,长QT间期综合征可能是由钠离子通道的推迟失活或者钾离子通道不能正常开启引起的。如果从宏观层面上看,这两种离子通道一场所产生的动作电位是一样的,但是要想真正有针对性的治疗长QT间期综合征,人们必须针对不同的离子通道设计不同的药物,否则只能是治标不治本。
   在讲座最后,Neher教授还结合膜片钳技术的发明表达了他对于基础科学研究的支持。他说,当初发明膜片钳时,他们只是希望更好地了解神经细胞动作电位产生的机制,他们那时认为生物中大概存在5-10中不同的离子通道,并且这些离子通道应该只出现在“可被激活”的组织当中。不过,借助膜片钳技术,人们发现有上百种离子通道广泛地存在于身体的各个部位。这些研究又进一步促进了人们对于某些疾病的深入认识及相应治疗手段的产生。因此,Neher教授认为基础科学研究看似没有很强的应用价值,但是它往往能够带来一些意想不到的收获。国科大1507班本科生黄健怡主持讲座
国科大1507班本科生黄健怡主持讲座

可以说,Neher教授最引人注目之处便是他的交叉学科背景。他在本科期间学习物理学,之后转向生物学研究。他的物理知识为他在发明膜片钳技术的过程中解决噪声和波动的问题发挥了及其重要的作用。同时他还说,物理学的知识完全不能帮他理解细胞和相关的生物学知识。因此可以毫不夸张的说,没有接受过物理学和生物学的双重训练,就不会有膜片钳的诞生。这无疑是将物理和生物知识相结合而做出巨大成就的最好例证。

国科大本科生向Erwin Neher教授提问国科大本科生向Erwin Neher教授提问

在提问环节,大一的两位同学分别提出了基因疗法和生物感受器方面的问题;之后大二的两位同学则提出了物理与生物的交叉、逻辑推理与事实归纳等研究思路、方法上的问题。Neher教授一一认真地进行了解答。此后,在被问及最近的研究课题时,Neher教授介绍了他近来的工作:研究Ca2+离子通道和与记忆相关的离子通道的问题,这都是目前该领域内至关重要的未解之谜。

国科大生物专业1508班邓赟同学在提问环节第一个举手提问。谈起这次讲座,他说:“首先,主讲人的英语有口音,可以锻炼我们在有干扰的环境中抓取讲座或书籍中重点的能力;第二,我们高中时就学过离子通道,但通过Neher教授的讲解,可以了解这方面整个的历史发展历程,以及今天的前沿研究者对这一问题的认识。最后,诺奖得主的特别之处,在于他们亲历了整个研究过程。讲座中并没有涉及深奥的数理内容,我们凭借高中知识就能听懂,他带给我们的更多的是思路上的启发。”徐涛介绍说,Neher教授先学物理后生物的道路,与国科大本科生培养模式不谋而合

作为本科生1408班科学家班主任,徐涛老师希望同学们能通过讲座有三方面的收获:“首先是了解诺奖得主的科研生涯,感悟他们如何产生解决难题的思路;第二是了解科学前沿问题,Neher教授目前正在研究的课题都是该领域重要的未解之谜;第三是学习思想方法,Neher教授也讲到他选择先学物理后来转到生物。因为物理是基础,而生物的知识体系过于庞大,先学物理后针对所关心的生物问题学习相关知识,这与国科大的本科生培养模式不谋而合。希望同学们能在大一、大二打好坚实的数理基础。”

讲座结束,意犹未尽的1508班蔡瑞玲同学追上Erwin Neher教授面对面交流

 主讲人简介:

Erwin Neher教授1970年博士毕业于德国慕尼黑理工大学,1975-1976年在美国耶鲁大学做博士后。自1983年起,他在德国马克斯-普朗克生物物理化学研究所担任所长,1991年获得诺贝尔生理学或医学奖。Erwin Neher教授主要研究领域为神经信号中的离子通道、激素以及神经递质释放和突触可塑性等,成果丰富。他曾说,成功科学家必须具有真诚的科学兴趣、深入的专业训练、勤奋的实践练习、严谨的科学态度以及勇敢的创新思维。

延伸阅读

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加。目前讲座召集人为国科大副校长周琪院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机六个专业,邀请相关科学领域的知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。

科学前沿进展名家系列讲座II第34场讲座现场

【国科大记者团成员王温博对本文亦有贡献; 中文网导读大图摄影:杨天鹏

责任编辑:宋超 王秀全