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(xué))

批判性思維是以質(zhì)疑為起點,使用恰當(dāng)?shù)脑u價進(jìn)行判斷,并客觀地對獲取的證據(jù)進(jìn)行有效分析、科學(xué)推理的過程,從而獲得具有說服力、創(chuàng)造性的結(jié)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(yán)謹(jǐn)性和系統(tǒng)性,其典型特征包括仔細(xì)考慮每一個觀點的深度和廣度而不輕易下結(jié)論、客觀對待事實證據(jù)的優(yōu)缺點、具有強(qiáng)烈的自我反思的取向和不斷試錯的科學(xué)精神。

1.回顧沃泰默實驗背景,夯實批判性思維的知識基礎(chǔ)

19世紀(jì)沃泰默實驗的存在的背景與俄國著名的生理學(xué)家巴甫洛夫有緊密聯(lián)系。巴普洛夫和他的學(xué)生們研究的方向是“消化系統(tǒng)是如何工作的”,并在消化系統(tǒng)的神經(jīng)調(diào)節(jié)方面做了大量的研究工作,證實了胃液的產(chǎn)生是由第十對腦神經(jīng)的迷走神經(jīng)(屬于副交感神經(jīng))引起的,證據(jù)是如果切斷狗大腦與胃部之間的神經(jīng)聯(lián)系,則狗在進(jìn)食時不分泌胃液;不給狗進(jìn)食,如果刺激狗的迷走神經(jīng),胃液產(chǎn)生。此外,巴甫洛夫強(qiáng)調(diào),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(jīng)使胃腺分泌胃液,即典型的條件反射。

19世紀(jì)中期,法國生理學(xué)家克勞德·伯爾納發(fā)現(xiàn)了酸性食物進(jìn)入小腸并引起胰腺分泌胰液,但是受限于當(dāng)時實驗手段和方法,伯爾納沒有深入研究。半個世紀(jì)后,依據(jù)巴甫洛夫神經(jīng)反射原理,巴甫洛夫的實驗室認(rèn)為胰腺分泌胰液是神經(jīng)調(diào)節(jié),并通過刺激迷走神經(jīng)和內(nèi)臟大神經(jīng)引起胰液的分泌來證實:根據(jù)反射的特點,破壞反射弧的結(jié)構(gòu)會影響反射的發(fā)生,從而抑制胰液的分泌。1896年,巴甫洛夫的學(xué)生帕皮爾斯基深入研究鹽酸引起胰液分泌的神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制,先后通過切斷雙側(cè)迷走神經(jīng)和雙側(cè)內(nèi)臟大神經(jīng)、甚至切除太陽神經(jīng)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(jīng)調(diào)節(jié)的考量,帕皮爾斯基于1901年得出結(jié)論,認(rèn)為這是個連接十二指腸黏膜和胰腺的腺泡細(xì)胞的反射弧引發(fā)的局部短反射,甚至認(rèn)為胃的幽門部可能存在著一個導(dǎo)致胰液分泌的“外周反射中樞”。

2.再現(xiàn)沃泰默實驗過程,進(jìn)行批判性思維的質(zhì)疑反思

沃泰默是法國學(xué)者,1901-1902年之間進(jìn)行了類似的鹽酸引起胰液分泌機(jī)制的研究。他創(chuàng)新了操作思路,將鹽酸注入狗的血液里進(jìn)行實驗,詳細(xì)如下:

第一組:把稀鹽酸注入狗的上段小腸腸腔內(nèi),引發(fā)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(fā)胰腺分泌胰液。

第三組:切除通向該段小腸的神經(jīng),只留下血管,再向小腸注入稀鹽酸時,仍能促進(jìn)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(huán)作用于胰腺,但不直接導(dǎo)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(chǎn)生的某種化學(xué)物質(zhì)隨血液作用于胰腺。

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

沃泰默的解釋是小腸神經(jīng)微小,難以剔除干凈,是一個十分頑固的神經(jīng)反射。這個解釋明顯受當(dāng)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(diào)節(jié)的發(fā)現(xiàn)失之交臂,但是有幾點值得反思。

第一、沃泰默的實驗?zāi)康氖鞘裁?神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)調(diào)節(jié)本身是復(fù)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(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制。因為沃泰默研究的指導(dǎo)理念沒有跳出神經(jīng)調(diào)節(jié)的范疇,而完全忽略神經(jīng)調(diào)節(jié)以外的其他調(diào)節(jié)方式的可能,所以沃泰默沒有補(bǔ)充排除血液中化學(xué)物質(zhì)的實驗:切除通往小腸的血管,保留神經(jīng)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(jīng)調(diào)節(jié)方式調(diào)控胰腺分泌胰液的過程,為斯他林和貝利斯帶來了啟發(fā)。

第二、神經(jīng)調(diào)節(jié)與化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)對立的研究觀念。與沃泰默的只有神經(jīng)調(diào)節(jié)的觀念相反,在斯他林和貝利斯研究假設(shè)中否認(rèn)胰液的分泌是神經(jīng)調(diào)節(jié)的反射活動,而是鹽酸刺激小腸黏膜產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。受到沃泰默實驗的啟發(fā),二人創(chuàng)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(jīng)”的作用,說明該過程完全是某種化學(xué)物質(zhì)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(xiàn)象,創(chuàng)造性的發(fā)現(xiàn)了新的生命活動的調(diào)節(jié)機(jī)制——激素調(diào)節(jié)。1902年發(fā)表的關(guān)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(jīng)調(diào)節(jié)”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(diào)節(jié)的存在,并沒有排除神經(jīng)調(diào)節(jié)的作用,沒有研究存在的神經(jīng)調(diào)節(jié)。

第三、促進(jìn)胰液分泌的不是只有激素。現(xiàn)代生理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),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(jīng)(迷走神經(jīng)和內(nèi)臟神經(jīng)),進(jìn)行條件反射和非條件反射引起胰液分泌。進(jìn)食時,胰液的分泌受神經(jīng)和體液雙重調(diào)節(jié),但是以體液調(diào)節(jié)為主。引發(fā)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(zhì)的分解產(chǎn)物、脂肪酸和迷走神經(jīng)的興奮都能促進(jìn)小腸分泌促胰液素)(圖1)。斯他林和貝利斯創(chuàng)造性的用稀鹽酸和離體小腸的黏膜混合研磨進(jìn)行實驗,排除了除稀鹽酸以外其他化學(xué)物質(zhì)和神經(jīng)的影響。神經(jīng)系統(tǒng)的分布和調(diào)節(jié)機(jī)制是復(fù)雜的,對剛進(jìn)入20世紀(jì)的科學(xué)家來講,研究方法和技術(shù)有限,刺激神經(jīng)后胰液分泌的實驗比在動物體內(nèi)切斷神經(jīng)、排除神經(jīng)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(jìn)哪種成分的分泌導(dǎo)致胰液分泌增強(qiáng)?胰液里含有大量的無機(jī)鹽和各種消化酶。促胰液素作用于胰腺導(dǎo)管的上皮細(xì)胞,使導(dǎo)管分泌大量的水與碳酸氫鹽,導(dǎo)致胰液分泌量提升(圖1),從而使分泌胰液的實驗現(xiàn)象非常明顯。

圖1 胰液分泌的神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)

3.依據(jù)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(rèn)沃泰默實驗的價值。沃泰默實驗中切斷神經(jīng),將鹽酸注入血液等做法為如何研究神經(jīng)調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)提供了思路和方法;對沃泰默實驗過程的分析,有利于對設(shè)計實驗中控制變量的理解和把握,進(jìn)一步感受斯他林和貝利斯實驗的巧妙之處,激活對激素調(diào)節(jié)的概念理解;切斷神經(jīng)的做法,強(qiáng)化了神經(jīng)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)——反射弧的完整性對神經(jīng)調(diào)節(jié)的意義,有利于理解神經(jīng)調(diào)節(jié)過程,并反思神經(jīng)調(diào)節(jié)和激素調(diào)節(jié)之間關(guān)系,是學(xué)習(xí)神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)實例的基礎(chǔ)。

改編題1:下列有關(guān)促胰液素的發(fā)現(xiàn)過程及其作用的敘述,不正確的是

( )

A.沃泰默的實驗假設(shè)是胃酸刺激小腸的神經(jīng),神經(jīng)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(dǎo)致分泌胰液

C.在促胰液素的發(fā)現(xiàn)過程中,胰腺分泌胰液受某種化學(xué)物質(zhì)的調(diào)節(jié),但不能排除神經(jīng)調(diào)節(jié)的作用

D.促胰液素是人們發(fā)現(xiàn)的由胰腺分泌的第一種激素,它的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到激素調(diào)節(jié)的存在

改編題2:現(xiàn)代生理實驗證明胰液的分泌受神經(jīng)-體液調(diào)節(jié),過程如圖2。根據(jù)圖示,回答下列問題:

圖2

(1)圖中傳出神經(jīng)屬于自主神經(jīng)系統(tǒng)的________(填“交感神經(jīng)”或“副交感神經(jīng)”),神經(jīng)中樞所在的反射弧的效應(yīng)器是________。

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

(3)酸性食糜進(jìn)入小腸,引起胰腺分泌胰液。嘗試通過用小鼠設(shè)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(xiàn)象。

(4)最近,科學(xué)家從小腸分離出一種多肽——CKK釋放肽,進(jìn)食后,在蛋白質(zhì)的消化產(chǎn)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(diào)節(jié)機(jī)制是________調(diào)節(jié),此種調(diào)節(jié)是生命系統(tǒng)中非常普遍的調(diào)節(jié)機(jī)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(jīng) 傳出神經(jīng)末梢及其支配的胰腺 (2)小腸黏膜(細(xì)胞) 神經(jīng)遞質(zhì)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(fù))反饋 機(jī)體維持穩(wěn)態(tài)

總之,對生命現(xiàn)象的科學(xué)假說是通過已知的生物學(xué)原理和生物概念推理而來,能夠解釋其他相關(guān)生物學(xué)現(xiàn)象,并被實驗支持或反駁的。批判性思維能客觀進(jìn)行質(zhì)疑、推理,審視證據(jù)的有效性,突破固有觀念的束縛,進(jìn)行實驗的創(chuàng)新,從而使一代代科學(xué)家堅持真理,敢于挑戰(zhàn)權(quán)威,對科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)進(jìn)步具有重大的促進(jìn)作用。辯證地看待沃泰默實驗,積極、客觀的進(jìn)行評析,在質(zhì)疑的同時,也培養(yǎng)批判性思維能力。