[提要] 生物电化学可以定义为一门应用电化学及实验方法研究生物现象的边缘分支学科。以下领域的几个例子可以具体说明以上定义的生物电化学概念：生物体内的氧还代谢反应（为生物体提供能量）、半导体、生物膜功能及其物质传输、远非平衡条件下的力能学、信息沿组织结构的传递、光合成、视觉、电磁场对活组织生长及修复的作用等。
要弄清“生物电化学（Bioelectrochemistry）”的含义，最好还是先从这个词的词源谈起。“生物bio”与“电electro”这两个词头已经表明：我们所讨论的是科学研究中的一门交叉学科，它既用实验电化学的又用理论电化学的方法来研究生物现象。
但是这个定义仍嫌太宽，有必要从初步考虑所有生物现象出发进一步缩小其范围。粗略地讲，生物现象可分为两大类。第一类是从内在形态与功能的角度来考察生命，但并不忽视或多或少制约着许多生物现象的环境。属于这一大类的生物现象有：细胞分裂、形态关系、组织及器官的构成与分化等等。第二类现象包括大部分发生在分子水平上的物理化学过程。例如，呼吸链（即生物体内有关物质通过一系列氧还反应，消耗适当转换的空囊氧气所进行的氧化作用）、遗传（典型特征通过基因的各种组合进行遗传）、化学诱发细胞增殖、视觉（光电反应）、以组织结构为途径的信息传递（通过神经、肌肉等的电脉冲传导）、膜现象（控制活细胞中荷电粒子的流入与流出）、影响生命过程所必需能量的积累与消耗的合成与分解代谢（光合成、磷酸化作用、氨基酸及蛋白质的合成、分解代谢反应等等）。上述各种第二大类生物的现象基本上都具有电化学性质，这说明上面所作的生物电化学定义是正确的。
不过，这两种类型的现象之间不存在精确的分界线。事实上两者之间有个不太明确的领域，其现象可以用研究两类现象中任意一种的原理、方法来研究，例如由生物聚合体和高分子行为引起的现象就是这样。
所以，生物电化学研究的是由属生物体系的荷电粒子行为结果所引起的电现象；也可应用严格的电化学方法（实验的及理论的）（包括半导体与固体物理理论）来研究大量生物现象，如活系统的力能学（Energetics）。
由上可知：电化学家、生物物理学家、生物学家和电生理学家必须紧密合作，否则这一领域的进一步发展就只能是幻想，而不能成为现实。
也许是无意识但又是肯定的，至少在过去两个世纪科学家们就已在以这种精神开展生物电化学方面的工作。在这里提到一些生物学家、医学家、物理化学家、化学家以及物理学家的名字似乎是恰当的做法。可以说，他们都是生物电化学科学的先驱。
首先真可以把L. 伽范尼（Luigi Galvani）医生（生于1737年）看作是生物电化学的创始人。他因著名的青蛙实验（1792年）而闻名于世。约在同一时期，物理学家A. 福尔塔（Alessandro Volta）（生于1745年）非常注意活生物体中的电现象，但他对伽范尼的理论采取对立态度。数年之后，J. w. 列特（J. W. Ritter）（生于1776年）开始了有关电生理学的研究。医生L. 米且利斯（Leonor Michaelis）和三位化学家R. B. 瓦塞（Ren6 Bernard Wurmser）、D. 凯林（David. Keilin）以及A. S. 乔奇（Albert Szent Gy?rgy）对生物电化学的发展作出了决定性的贡献，这是较近期的事了，米且利斯用她大部分的工作来研究生物化学方法，并在生物过程研究中第一次引进了有离子物参与的定量氧还反应概念，在米且利斯的工作基础上，瓦塞发现了一种可用电位法（即使用严格的电化学方法与技术）研究许多重要的生物氧还反应的方法，因而发现它们与细胞生物活性的某种联系。凯林第一次提出了呼吸过程的氧还链模型。乔奇在蛋白质与生物高分子因而还有组织结构的电导作用研究中引进了半导体与固体物理理论，因此对认识这一领域的生物现象作出了相当大的贡献。
在更近的一个时期，物理化学家I. 普利高津（Ilia Prigogine）对前人的理论工作进行了全面综合，并引进一些独到的概念（耗散结构dissipative structure、局部平衡local equilibrium等）。在大型数学结构的基础上处理非平衡态现象，甚至是远离平衡态下发生的现象（分子水平上的大多数生物现象都如此），他成功地获得了与热力学一致的结果，从而大大地消除了热力学第二定律与生命系统力能学之间的明显矛盾（为此普里高津教授荣获1977年度诺贝尔化学奖）。
应当讨论几个有代表性的例子来说明生物研究中涉及电化学的领域会有多大的变化，而又具有共性。
生物体内的许多甚至是大部分化学反应都是氧还型反应。在这类反应中，可还原的某一生物体系，因某特定原因被机体中另一生物体系所氧化。哺乳动物中血红蛋白携带的氧对各种物质（主要是葡萄糖衍生物）的氧化作用就是一个最具特色的例子。其中，还原性体系通常是葡萄糖衍生物，而氧化性体系最终还是血红蛋白携带的氧。实际上，上述总反应经历了一系列分步步骤，通过许多中间体形成最产物H2O，CO2以及氮、硫、磷的衍生物。这些反应提供了维持生命所必需的能量。对这种类型的氧还反应很难进行整体研究，但我们可以应用电化学概念和技术，将总反应分解成较简单的单步分反应，这样就有可能扩展现有的知识水平。事实上，对所有简单的单步氧还反应都可根据热力学与动力学定律用电化学方法研究，热力学用氧还电势值（Electric tensions）为标准可判断对应氧还反应能否以及在什么条件下发生；而动力学则是用相应的活化能资料并考虑到其他因素，如Frank，Condon原理的推论，使人们有可能确定该氧还体系在特定条件下的时间演化过程。用适当的电子传导体（铂、金、钨、石墨等）和参比电极，所有这些分步体系都可构成自发电池，这样就可以测量在各种条件下它们的标准电位和静电位。然后让该原电池中所研究的氧还电极先在阳极负荷，再在阴极负荷下工作就有可能获得有关活化能以及反应速度的最重要的信息。很明显，生物体内没有带Pt电极的原电池；但是，知道了某些相互作用的分步体系在一定条件下的电位，以此为基础就可以很快地确定哪一体系氧化，哪一体系被氧化；也有可能估计出该反应是慢还是快，尽管只是近似的。
为了对所涉及的整个力能学有正确的评价，也应考虑诸如相界面（如膜）上的表面吸附现象等所造成的其他力能学贡献。当在一生物体内以某一特定生物目的起作用的两个体系，其相应氧还电位只有很小的差别时，上面提到的各种数据就显得格外重要。这时，即使环境条件，尤其是浓度只有很小的变化，也可能使反应方向发生逆转。比如，在许多生物氧还反应中出现的氢离子与还原态氢（原子或分子）的活度就是一个典型的例子。人们立即可见pH值的重要性，会认识到弄清不同离子物的真实活度是完全必要的。
继续上面生化反应课题的讨论，可将生物化学反应分成两大类：合成代谢与分解代谢反应。前者旨在累积完成生命各种功能所需要的能量，把它们累积在生物体所贮存的某些化学物质中；所贮存的能量随后被分解代谢所利用。对这些过程逐个加以研究，导致出一些极复杂往往又很巧妙的表达式，它们有时令人难以理解。加上其他一些事实，作为一个整体这些单个过程有时显得矛盾（主要从力能学的角度来看），有时甚至会与化学及物理化学的基本原理相抵触。举例来说，化学家根本就不会想到直接用二氧化碳水解并同时部分还原来合成葡萄糖；也不会想到用氰基酸混合物的简单脱水反应去制取有序的多肽链；α酮酸的氧化脱羧作用仅用化学物理原理是很难解释清楚的；……可是，如果将这些总反应分成若干分步发生的较简单的步骤，同时考虑到它们的热力学参量（氧还电位、反应自由焓和自由熵）、动力学参量（每一单个步骤的过电位与活化能）以及其他可能出现的耦合现象（与所涉及到的力能学），则现在已知的反应几乎都可以归为四大类简单反应中的某一类：氧化还原、缩合水解、双键的增减以及骨架C原子的合成与降解，并且不再与热力学规律，包括非平衡甚至远离平衡态下的热力学相矛盾。这样，许多分子水平上的生物现象的先后顺序就变得好理解，也比较合乎逻辑了。
将固体物理与半导体理论用于解决生物问题还是较近的事。从那以后进行的大量研究表明，高分子的电导作用可以在这些概念的基础上来加以解释。许多这样的高分子，如蛋白质、酞菁、血红蛋白、核酸等，在固态甚至于不很干燥的情况下也表现出半导体特征。例如，许多蛋白质都有三条十分靠近的能带，理论计算和实验都已证实了这一点。三条能带中电子占有两条，而另一条是空带，几乎不高出3eV，故可作为半导体的导带。将这一理论应用于许多生物现象都获得了很好的结果，如线粒体活度、叶绿素行为、光合成机制、呼吸链、视觉等等。
另一极为广阔的领域是生物膜。生物膜是每种细胞天生用来维持其内部条件的屏障，这些内部条件是细胞完成其功能所必需的，也就是生命本身所必需的。
在生物体内。生物膜既能将两个区域隔离开来，又起着一种能合能开的屏障的作用。物质基本上以两种机制在膜两侧进行传输：一种是非选择性地穿过一些有点粗的孔及通道；另一种是具有特效性的，利用一种可按细胞需要而改变的有选择的可透性进行，例如靠载体有选择地输送某种类型的粒子、在特效且有选择的输送情况下如果粒子是荷电的，就能发生很多电现象与电化学现象，它们很重要，并反过来控制传输过程。由于被膜分隔的区域通常渗透质相同，膜的物质传输肯定不是由渗透质力差而是别的因素来控制的。所以，这必然是一种电化学机理；事实上可对分隔两等渗质区的生物膜间电位进行测量，其值不为零。有很多理论生物学家正在研究这些现象，他们从电解质电导的基本原理出发并应用不可逆过程热力学加以发展。实际上，物质与电荷的传输是不可逆的，因为广义上的力是由梯度组成的；因此就有必要考虑电势分布（非线性梯度）、反映在膜表面上的分布（化学势与电化学势的非线性梯度）以及可影响到传输现象的各种同时发生的现象间的耦合。
不幸的是，描述这些现象所必需的数学关系是非线性的，因而要求得可与实验相比较的结果，必须应用非线性微分方程。
尽管如此，仍有可能得到一些结果，表明在一定条件下某些离子物可能存在负电导作用，即荷电物质朝膜两侧电化学势梯度相反的方向迁移。在生物学中有时提出用离子泵来解释某些物质传输，它们用其他方法是很难解释清楚的。这样一来，离子泵概念就具有一种具体的物理意义。而不只是一种假设了。与上面曾提到的力能学领域中帕利高津（及合作者）的理论发展一样，这是合乎逻辑而又严格地利用新理论概念可带来丰硕成果的又一极好实例。
传输膜电位进一步变化也可产生客观后果，例如，神经生理学和各种电麻醉研究表明，所用药物大大改变了细胞膜的离子电导作用。因此，无论从生物学还是从生理学、药物学的观点出发，人们都可认识到研究离子物（即整个膜电化学领域）的电导及其膜的渗透性是很重要的。
以电化学为基础的有关膜作用的一般概念也被用来解释生物组织结构（如神经、肌肉等）的特征和功能。举例来说，跨膜电位可用于解释作用电位概念。作用电位以每秒数十米的速度传递。
另外，在解释生物聚合体与高分子行为时，不可忽视构象分析。
在这方面，电化学方法，尤其是极谱法得到了极有价值的结果。反映出诸如蛋白质与核酸螺旋体形状的变化。
光合成是生物电化学的另一个重要领域。光合成终归是一种能量来源，它为几乎所有物种的生命过程提供所需要的能量。有的是直接的，如绿色植物；有的是间接的，如多少直接靠绿色植物的光合成产物来提供营养的生物体。借助吸收光能的光合成过程中发生质子和电子转移，结果导致发生跨膜电位、物质传输、氧还反应等。
最后按顺序而不是按重要性要讲到的例子是活细胞与下述电流的相互作用：直接外加的或由外加交变电磁场感应产生的电流。尽管在这方面我们的知识仍极少，但有些事实已被有力地证实并且有了很重要的临床及医疗应用。在许多靠矫正法不能治疗的骨折病例中，用很小的脉冲电流（几个μAcm-2）或一定形式与强度的交变电磁场（继而产生所需要的交流电）来医治，已经有很高的治愈率。起先，人们认为这种电流起有一种刺激或组织化的作用。现在，经过一些体内、体外实验后，我们认为两种作用都可能存在。此外，实验证实：利用这种电刺激，鸡胚的背细胞产生出大量的游离Ca2+离子。只有所用的能值与时间分布都相同，体内与体外实验才能得到相同的结果。另一方面又发现，若没有游离Ca2+离子产生，也就没有临床结果。游离Ca2+离子的生成也与其他生物现象有关，如有丝分裂、基因密码的转录、钙化作用等等。这些观察结果表明：在电刺激下受伤骨组织的复原也可能起源于电化学。
作为一个简述，本文虽然必定是不完全的，但清楚地反映出生物现象是一个多么广阔的领域。要想在更严格的基础上来增加有关生物现象的知识，我们可以也应当应用电化学技术来进行这一领域的研究。
现在生物电化学仍处于初始阶段，主要因为生物体系极为复杂，很难进行十分确切的实验。但是无可否认，就电化学理论及实验而言这是一个正在向前发展的领域。
[B.B.1981年]
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* 本文作者是意大利罗马大学工程系化学研究所的教授。他是“生物电化学与生物力能学（英）”杂志和“生物电化学与生物力能学专题集（英）”的主编，“国际生物电化学与生物力能学会议”和“国际生物电化学学会（BES）”的发起人和组织者。（译者注）