基于批判性思維對沃泰默實驗的再思考

余中賓

(安徽省淮南第一中學)

批判性思維是以質疑為起點,使用恰當的評價進行判斷,并客觀地對獲取的證據進行有效分析、科學推理的過程,從而獲得具有說服力、創造性的結論。批判性思維批判的對象不是某個人,而是對一個觀點背后思考的過程,即審視和分析思考的縝密性、嚴謹性和系統性,其典型特征包括仔細考慮每一個觀點的深度和廣度而不輕易下結論、客觀對待事實證據的優缺點、具有強烈的自我反思的取向和不斷試錯的科學精神。

1.回顧沃泰默實驗背景,夯實批判性思維的知識基礎

19世紀沃泰默實驗的存在的背景與俄國著名的生理學家巴甫洛夫有緊密聯系。巴普洛夫和他的學生們研究的方向是“消化系統是如何工作的”,并在消化系統的神經調節方面做了大量的研究工作,證實了胃液的產生是由第十對腦神經的迷走神經(屬于副交感神經)引起的,證據是如果切斷狗大腦與胃部之間的神經聯系,則狗在進食時不分泌胃液;不給狗進食,如果刺激狗的迷走神經,胃液產生。此外,巴甫洛夫強調,只要讓狗意識到食物(比如教材中提到喂食時鈴聲刺激的“假飼”實驗)的存在,腦會通過迷走神經使胃腺分泌胃液,即典型的條件反射。

19世紀中期,法國生理學家克勞德·伯爾納發現了酸性食物進入小腸并引起胰腺分泌胰液,但是受限于當時實驗手段和方法,伯爾納沒有深入研究。半個世紀后,依據巴甫洛夫神經反射原理,巴甫洛夫的實驗室認為胰腺分泌胰液是神經調節,并通過刺激迷走神經和內臟大神經引起胰液的分泌來證實:根據反射的特點,破壞反射弧的結構會影響反射的發生,從而抑制胰液的分泌。1896年,巴甫洛夫的學生帕皮爾斯基深入研究鹽酸引起胰液分泌的神經調節機制,先后通過切斷雙側迷走神經和雙側內臟大神經、甚至切除太陽神經叢、毀壞脊髓、直至切除胃的幽門部,鹽酸仍能引起胰液分泌。越靠近胃的幽門部,鹽酸刺激小腸后引起胰液分泌的越明顯。基于神經調節的考量,帕皮爾斯基于1901年得出結論,認為這是個連接十二指腸黏膜和胰腺的腺泡細胞的反射弧引發的局部短反射,甚至認為胃的幽門部可能存在著一個導致胰液分泌的“外周反射中樞”。

2.再現沃泰默實驗過程,進行批判性思維的質疑反思

沃泰默是法國學者,1901-1902年之間進行了類似的鹽酸引起胰液分泌機制的研究。他創新了操作思路,將鹽酸注入狗的血液里進行實驗,詳細如下:

第一組:把稀鹽酸注入狗的上段小腸腸腔內,引發胰腺分泌胰液。

第二組:直接將稀鹽酸注入狗的血液中,不會引發胰腺分泌胰液。

第三組:切除通向該段小腸的神經,只留下血管,再向小腸注入稀鹽酸時,仍能促進胰液分泌。

第一、二組看,稀鹽酸作用的部位是上段小腸,而不是血液,說明鹽酸隨著血液循環作用于胰腺,但不直接導致胰腺分泌胰液,為后來斯他林和貝利斯的研究提供了非常好的思路,推測鹽酸刺激小腸產生的某種化學物質隨血液作用于胰腺。

第一、三組看,自變量是神經系統是否完整,推測結論為胰液的分泌不受神經調節。實際操作中,沃泰默使用藥物(阿托品)阻斷副交感神經作用,或者切除游離小腸的全部神經,只保留血管,胰腺仍分泌胰液。

沃泰默的解釋是小腸神經微小,難以剔除干凈,是一個十分頑固的神經反射。這個解釋明顯受當時主流思想的影響,得出了與帕皮爾斯基相似的說法。沃泰默與激素調節的發現失之交臂,但是有幾點值得反思。

第一、沃泰默的實驗目的是什么?神經系統和神經調節本身是復雜的,沃泰默可能是為了研究稀鹽酸刺激小腸引起胰腺分泌胰液的神經調節機制。因為沃泰默研究的指導理念沒有跳出神經調節的范疇,而完全忽略神經調節以外的其他調節方式的可能,所以沃泰默沒有補充排除血液中化學物質的實驗:切除通往小腸的血管,保留神經后,再將稀鹽酸注入上段小腸,觀察胰腺是否分泌胰液。因此,沃泰默的實驗方案更適合研究非神經調節方式調控胰腺分泌胰液的過程,為斯他林和貝利斯帶來了啟發。

第二、神經調節與化學物質調節對立的研究觀念。與沃泰默的只有神經調節的觀念相反,在斯他林和貝利斯研究假設中否認胰液的分泌是神經調節的反射活動,而是鹽酸刺激小腸黏膜產生的化學物質進行調節的。受到沃泰默實驗的啟發,二人創新實驗:將剪下的小腸刮下小腸黏膜與鹽酸混合后研磨,研磨液注入靜脈。這樣的實驗操作完全排除了“頑固神經”的作用,說明該過程完全是某種化學物質單獨起作用。因此,斯他林和貝利斯掙脫流行觀點的束縛,批判性看待客觀事實現象,創造性的發現了新的生命活動的調節機制——激素調節。1902年發表的關于促胰液素的論文完全顛覆巴甫洛夫長期秉持的“消化腺分泌完全由神經調節”的理論,這使巴甫洛夫本人驚訝不已。但是,斯他林和貝利斯實驗只是證明了激素調節的存在,并沒有排除神經調節的作用,沒有研究存在的神經調節。

第三、促進胰液分泌的不是只有激素。現代生理學研究發現,食物的色、香、味、形及對胃腸等各消化道的刺激,可通過支配胰腺的神經(迷走神經和內臟神經),進行條件反射和非條件反射引起胰液分泌。進食時,胰液的分泌受神經和體液雙重調節,但是以體液調節為主。引發胰液分泌的激素除促胰液素外,還有縮膽囊素、促胃液素等(鹽酸、蛋白質的分解產物、脂肪酸和迷走神經的興奮都能促進小腸分泌促胰液素)(圖1)。斯他林和貝利斯創造性的用稀鹽酸和離體小腸的黏膜混合研磨進行實驗,排除了除稀鹽酸以外其他化學物質和神經的影響。神經系統的分布和調節機制是復雜的,對剛進入20世紀的科學家來講,研究方法和技術有限,刺激神經后胰液分泌的實驗比在動物體內切斷神經、排除神經干擾做出的實驗要簡便、有效得多。

第四、胰液是一種混合物,促胰液素是促進哪種成分的分泌導致胰液分泌增強?胰液里含有大量的無機鹽和各種消化酶。促胰液素作用于胰腺導管的上皮細胞,使導管分泌大量的水與碳酸氫鹽,導致胰液分泌量提升(圖1),從而使分泌胰液的實驗現象非常明顯。

圖1 胰液分泌的神經-體液調節

3.依據沃泰默實驗嘗試改編試題,鞏固批判性思維能力

肯定斯他林和貝利斯成就的同時,也不能完全否認沃泰默實驗的價值。沃泰默實驗中切斷神經,將鹽酸注入血液等做法為如何研究神經調節、激素調節提供了思路和方法;對沃泰默實驗過程的分析,有利于對設計實驗中控制變量的理解和把握,進一步感受斯他林和貝利斯實驗的巧妙之處,激活對激素調節的概念理解;切斷神經的做法,強化了神經調節的結構基礎——反射弧的完整性對神經調節的意義,有利于理解神經調節過程,并反思神經調節和激素調節之間關系,是學習神經-體液調節實例的基礎。

改編題1:下列有關促胰液素的發現過程及其作用的敘述,不正確的是

( )

A.沃泰默的實驗假設是胃酸刺激小腸的神經,神經將興奮傳遞給胰腺,使胰腺分泌胰液

B.沃泰默實驗中將鹽酸直接注射到血液中的操作,排除鹽酸直接作用于胰腺導致分泌胰液

C.在促胰液素的發現過程中,胰腺分泌胰液受某種化學物質的調節,但不能排除神經調節的作用

D.促胰液素是人們發現的由胰腺分泌的第一種激素,它的發現使人們認識到激素調節的存在

改編題2:現代生理實驗證明胰液的分泌受神經-體液調節,過程如圖2。根據圖示,回答下列問題:

圖2

(1)圖中傳出神經屬于自主神經系統的________(填“交感神經”或“副交感神經”),神經中樞所在的反射弧的效應器是________。

(2)圖中反映出胃酸刺激________分泌促胰液素,通過體液運輸,作用于胰腺。除了促胰液素受體,胰腺細胞接受調節信號分子的受體至少還有________,這些信號分子都能促進胰腺分泌胰液。

(3)酸性食糜進入小腸,引起胰腺分泌胰液。嘗試通過用小鼠設計實驗證明引起胰液分泌的刺激因素是胃酸而不是食糜,請寫出大致的實驗思路及現象。

(4)最近,科學家從小腸分離出一種多肽——CKK釋放肽,進食后,在蛋白質的消化產物作用下,CKK釋放肽會引起膽囊收縮素釋放和胰蛋白酶分泌增加;而分泌的胰蛋白酶又可使CKK釋放肽水解,膽囊收縮素和胰蛋白酶分泌減少,這種調節機制是________調節,此種調節是生命系統中非常普遍的調節機制,它對于________具有重要意義。

改編題1答案:D

改編題2參考答案:(1)副交感神經 傳出神經末梢及其支配的胰腺 (2)小腸黏膜(細胞) 神經遞質受體 (3)用等量稀鹽酸和無酸性食糜分別注入兩組小鼠的上段小腸腸腔,比較兩組的小鼠胰腺分泌情況,稀鹽酸處理的小鼠分泌的胰液量明顯多于無酸性食糜處理的小鼠 (4)(負)反饋 機體維持穩態

總之,對生命現象的科學假說是通過已知的生物學原理和生物概念推理而來,能夠解釋其他相關生物學現象,并被實驗支持或反駁的。批判性思維能客觀進行質疑、推理,審視證據的有效性,突破固有觀念的束縛,進行實驗的創新,從而使一代代科學家堅持真理,敢于挑戰權威,對科學發現和科學進步具有重大的促進作用。辯證地看待沃泰默實驗,積極、客觀的進行評析,在質疑的同時,也培養批判性思維能力。