物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学④生物电磁效应
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学④生物电磁效应生物电是指生物体内产生的电位变化和电流传导以及与之相关的生命运动。生物磁是指生物体的磁性以及与生命活动相关的磁现象。生物电和生物磁是生命活动的基本特征，普遍存在于所有生物的细胞、组织和器官中，并伴随生命的全过程。生物电、磁现象既遵循电磁学规律，又有自己的特性：主动性和被动性。当生物生活于外环境中时，生物体作为磁介质和导体（或介电体）会按照一定的规律产生响应，且能跟外界电磁场发生相互作用，从而产生生物效应。生物电、磁现象及其生物效应携带了大量与生命活动、生理和病理紧密相关的信息，这些信息对生物学研究以及对疾病的诊断和治疗都有极大的价值。一、生物电的发现1780年，意大利医生、生物学家伽伐尼偶然发现，挂在铁栅栏铜钩上的蛙腿在风的吹动下左右摇晃时，一旦碰到铁栅栏，蛙腿就猛烈收缩一次。他没有放过这次偶然发现，安排一系列实验，对此进行了细致研究。在排除了当时已知电源（大气雷电、摩擦起电）的影响后，认为这是动物体内产生的电，并于1791年发表了著名论文《论肌肉运动中的电力》，指出生物电是客观存在的并对生物电进行了初步解释。实际上，伽伐尼这一时期的研究并不能证明生物电的存在，但他提出的生物电概念引起了许多学者的兴趣，在欧洲大陆立即掀起了生物电研究热潮。物理学家伏打对此也产生了浓厚的兴趣，他重复了伽伐尼的实验，结果发现一定要使用两种不同的金属，才能使蛙腿肌肉产生收缩。于是伏打认为，伽伐尼所观察到的蛙腿肌肉收缩不是生物电所致，而是两种金属属性不同所致。伽伐尼为证明自己的观点于1794年设计了“无金属收缩实验”：用一个从腰部剪断的青蛙做实验材料，撕掉蛙腿的全部皮肤，把从腰部脊髓发出的神经分离出来，然后将蛙腿肌肉切损。这时，若把分离好的同侧神经与肌肉受损处相接触，立刻就会看到该侧蛙腿肌肉猛烈收缩。因为没有使用任何金属，该实验出色地证明了生物电的存在。伏打在这项研究中发明了能产生稳恒电流的电源——伏打电池，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应，极大地促进了电学的发展。电流计发明之后，人们才有可能直接证明生物组织本身是否带电。1837年，意大利物理学教授Matteucci用电流计对生物组织进行了较精确的测量。测量结果表明，在肌肉的横断面与未受损部分之间，确实有电流的流动，这种电流是从未受损部位通过电流计流向横断面的。电流计的发明大大加速了生物电研究的进程，人们很快在肌肉、神经、甚至感官上都证明了生物电的存在，并且表明，在兴奋时这种电位会波动。实验证实，不仅动物，所有生物都有生物电活动，生物电是自然界普遍存在的一种电现象.二、生物电的产生机理人们对生物电的研究已有200多年的历史，发现了多种生物电，仅人体内就有脑电、心电、肌电、眼电、胃肠电等十几种。生物电可分为三类：损伤电位、静息电位、动作电位。损伤电位是指生物组织的完整部分和受损部位之间存在的电位差。伽伐尼的 “无金属收缩实验”正是利用损伤电位，产生了蛙腿的收缩。不受外界刺激时，即静息状态下细胞膜内外两侧的电位差，称为静息电位。细胞膜受刺激时，在原来静息电位的基础上，膜两侧发生一次短促而可逆的电位变化，这就是动作电位。研究表明有机体的一切生命活动都伴随着生物电现象，但生物电的产生机制至今尚未完全明了。长期以来，对生物电的产生机理，人们提出了多种学说。目前被公认的一种基本观点是：生物电来源于细胞的功能，是以细胞为单位产生的。被大多数人所接受的是“离子学说”，认为生物电产生的前提是细胞膜内外的离子分布和浓度不同，以及细胞膜对各种离子的通透性有差异。细胞膜把细胞与外界环境分开，同时膜上又存在一些孔道，允许细胞与周围环境交换某些物质。在细胞膜内外存在多种离子，膜内主要是钾离子（K＋）及一些大离子团（A－），膜外主要是钠离子（Na＋）和氯离子（Cl－）。细胞膜对A－没有通透性，对K＋的通透性很大且是对Na＋的通透性的50~100倍，对Cl－有一定的通透性（Cl－是负离子）。静息状态下，Na＋和K＋两种离子顺着浓度差向膜内外扩散时，以K＋外流为主，因而膜外的正电荷逐渐增多，膜外电位上升，膜内电位下降，在膜的两侧便出现一个外正内负的电位差。这种电位差的存在，使K＋的继续外流受到膜外正电场的排斥和膜内负电场的吸引而变慢，最终K＋停止外流。此时，细胞膜内外两侧的跨膜电位差即为静息电位。若取膜外电位为0，则膜内电位大都在－10～－100mV之间。例如，枪乌贼的巨大神经轴突和蛙骨骼肌细胞的静息电位为－50～－70mV；哺乳动物的肌肉和神经细胞静息电位为－70～－90mV，平滑肌为-50～-60mV；人的红细胞为－10mV等等。大多数细胞产生的静息电位是一种稳定的直流电位，只要细胞未受到外来刺激而且保持正常的新陈代谢，静息电位就稳定在某一相对恒定的水平，细胞膜处于极化状态。当细胞受到外界刺激时，能做出一些主动反应，这种现象称为细胞的兴奋。几乎所有活组织或细胞都具有不同某种程度的对外界刺激发生反应的能力。在各种动物组织中，神经、肌细胞和某些腺细胞一般表现出较高的兴奋性，它们只需接受较小程度的刺激，就能表现出某种形式的反应，称之为可兴奋细胞或可兴奋组织。不同组织或细胞受刺激而发生反应时，形式有可能不同，如各种肌细胞表现机械收缩，腺细胞表现分泌活动等。大量事实表明，各种可兴奋细胞处于兴奋状态时，受刺激处都会产生动作电位。受刺激产生的外部反应如机械收缩和分泌活动等，实际上都是由细胞膜的动作电位进一步触发引起的。因此，兴奋性被理解为细胞在受刺激时产生动作电位的能力。只有那些在受刺激时能出现动作电位的组织，才能称为可兴奋组织；只有组织产生了动作电位时，才能说产生了兴奋。当外界刺激的时间和强度达到一定阈值时，细胞膜对离子的通透性会发生突然变化，膜对Na＋的通透性骤然增大，于是膜外Na＋顺浓度差和电位差迅速大量内流，膜内电位迅速升高，称之为去极化。膜内的负电位随之消失并高出膜外电位，在膜的两侧形成一个内正外负的电位差。这种电位差的存在，使Na＋的继续内流受到电场阻力。当Na＋内流扩散力与电场阻力平衡时，Na＋的内流停止。此时，Na＋的通透性迅速下降，而K＋的通透性大增。于是，K＋迅速外流，使膜内外电位差又很快（大约在1毫秒）恢复到原来的静息电位，这叫复极化过程。这时细胞膜的主动转运功能被激活，重新将膜内外的Na＋、K＋浓度调整到原来的静息水平，以维持细胞正常的兴奋性。多数可兴奋细胞（以神经和骨骼肌、心肌细胞为主），当动作电位在受刺激部位产生后，还可以沿着细胞膜向周围传导，使整个细胞膜都产生一次类似的电变化。神经系统正是靠传导各种兴奋对生物体各器官的生理过程起到了调节作用，使生命活动正常进行。三、生物电的应用生物总是生存在一定的外界环境中，生物体作为导电体或介电体就会按照一定规律产生响应，且能跟外界电场发生相互作用，影响体内的电过程，这就是电生物效应。生物体内复杂的电过程，使细胞膜内外的电位不断变化，产生局部的电信号，这种电信号载有生物体的大量生命信息，并能在体内迅速传递。记录和分析这些电信号能给生命科学研究以及疾病的诊断和治疗提供可靠的依据。心肌是可兴奋组织，心脏有节奏的跳动（收缩和舒张）正是心肌兴奋的结果。兴奋从窦房节传至心房、心室，心肌细胞不断循环进行极化→去极化→复极化过程，在人体任意部位都会产生电位，这就是心电。因人体是导体，故心电在各部位都能测出，只是强弱不同而已。将测量电极放置在人体表面的一定部位（如肢体、胸部等处）记录到的心脏活动过程中的电信号变化曲线，称为心电图（ECG）。心电图是心脏电活动在体表特定部位的反映，心脏自动节律性、传导性和兴奋性的异常变化会在心电图上相应地表现出来。临床上，只要把就诊者与正常人的心电图进行比较，就能对心脏疾病做出相应诊断。大脑皮质的神经细胞时刻存在自发性的电位变化，在头皮上放置一定数量的电极接收这种微弱的生物电活动，然后将其放大并记录出来，所得的连续曲线称为脑电图（EEG）。脑电图是很有价值的检查大脑功能的方法。一般来说，每个人的脑电图都有其固有的、稳定的特征，且在不同年龄阶段有显著的不同。正常情况下，脑电图有一定的规律性，当脑部有病变时，规律性被破坏，即波形发生变化。对此进行分析，可辅助临床对脑部疾病进行诊断。临床上对电生物效应的应用是多方面的。如，用电疗扩张血管，促进血液循环；促进血栓溶解；改善新陈代谢；调节中枢神经和植物神经功能；加速骨折的愈合和骨胳的生长等。利用微弱的直流电或低频交流电可以对癌症进行热疗，而手术中用的高频电刀、射频消融仪、微波治疗仪等利用的则是高频电的生物效应。人工心脏起博，则利用一定大小的脉冲电流来刺激心脏，使心脏按一定频率收缩和舒张，达到人工起博的目的。生物电技术和方法在医学以外的其它领域也有广泛的应用。农业生产中，用外加电场刺激和调节种子、果蔬和其它作物的生物电活动，可以培育和挑选优质种子，促进作物生长、提高产量，有效延长贮藏保鲜时间。日本研究人员通过接收鳗鱼、金鱼发出的电流可以判断水源污染和气象变化。在电子仿生学中，仿照电鳗身体结构制造的潜艇使人很难分辨出是船还是鱼，模拟人鼻子功能制作的“电子嗅觉器”可用于环境监测。当太阳光照射到绿叶上时，叶绿体吸收光能，并从水分中夺取电子，产生微弱的电流；一些细菌可以分解周围溶液释放电子，有的细菌在把所接受的部分太阳光能转化为化学物质时能产生电荷，技术发达国家已着手研制“绿叶发电站”和“细菌发电站”。四、生物磁现象磁性是所有物质的基本属性，大到宇宙中的天体，小到原子核、电子、质子、中子等微观粒子都呈现出不同强度的磁性，并在其周围空间产生或强或弱的磁场。地球就是一个巨大的磁体，地磁场强度约为3×10-5~5×10-5T（特斯拉），这是所有生物最基本的外部磁场，生物在漫长的进化过程中已经适应了这个磁场。生物在生命活动过程中同样会产生微弱的磁场。生物磁的来源有三种：生物电流产生的磁场、感应磁场、剩余磁场。生物体的器官和组织在活动中会产生电子传递、离子转移、神经电活动等生物电过程。这些生物电过程会产生频率、强度不同，波形各异的生物电流，由此产生相应的微弱的生物磁场，如心磁场、脑磁场、神经磁场、肌磁场等。生物体内的弱磁性物质在地磁场或其他外磁场的作用下，能产生感应磁场，如肝、脾等产生的磁场。磁铁矿(Fe3O4)类的强磁性物质的微粒通过呼吸道进入肺部，通过食道进入胃、肠系统等处。这些物质在地磁场或其他外磁场的作用下被磁化，从而产生剩余磁场，如肺磁场。人们已在细菌、昆虫、软体动物、鱼类、鸟类和人体中发现了磁铁矿颗粒。许多候鸟、鱼类和海龟等动物能够利用地磁场定向导航，完成数千公里的长距离迁徙，有些细菌能够在地磁场中定向游移。生物磁场的强度都非常微弱，如人体的心磁场为10-10T，脑磁场为10-12T，最强的肺磁场也只有10-11~10-6T，远低于地磁场和环境磁场（约5×10-7T，包括电磁设备、电网及空间电磁辐射的磁场）。这给生物磁场的测量提出了很高的要求，既需要灵敏度极高的仪器，又要有性能优良的磁屏蔽室隔离外部的磁干扰。超导量子干涉器件(SQUID)和霍尔效应磁强计的问世解决了这个技术难题，人们于1963年测到了心磁场，后来又测到了脑磁场(1968年)、肺磁场(1973年)等。生物磁的研究虽然起步较晚，但进展很快，在生物医学和农业等领域已有大量应用。五、生物磁的应用在外磁场的作用下，生物体内的电活动和生物磁场将发生不同程度的变化，并作出相应反应，而不同的生物（如微生物、植物、动物和人）及不同生物层次（如生物分子、细胞、组织和活体）对外磁场的反应是各不相同的，这就是人们通常所说的生物磁效应。生物磁场的变化与生物的生命活动、生理和病理状态密切相关，这正是生物磁应用的基础。心磁图（MCG）是结合低温超导与计算机技术，对心动周期中心脏电活动产生的微弱磁场进行测定的结果。心磁图能提供比心电图更多更准确的关于心脏病变的信息。例如心脏供血不足、心绞痛、心肌梗塞时，能产生微弱的电流和磁场。由于皮肤与电极之间存在接触电位，所以用皮肤电极记录的心电图测不出这些病变产生的电流，而心磁图则能测出某个病变引起的磁场变化。特别是对于胎儿，其心电信号被母体阻隔而检测不到，但其心磁信息却可与母体磁信号分开而检测到。脑磁场是脑细胞群体因自发或诱发的活动，产生复杂的生物电流，由此而产生的磁场。所以脑磁图上能体现脑诱发磁响应，这对生理学、组织学和病理学的研究有重要意义。与脑电图相比，脑磁图（MEG）有许多明显的优点。首先脑磁图既不需要参考点也不需要与皮肤接触，不会出现由此引起的误差；头盖骨有很高的阻抗，常使脑电图模糊不清，但对脑磁图没有影响。其次脑磁图能直接反映脑内场源的活动状态，特别能显示出脑深层场源的活动状态，对脑磁图进行反解析，更能准确确定场源的强度和位置。此外，视觉诱发脑磁场、听觉诱发脑磁场、射体诱发脑磁场等有很强的特异性，可以分辨出组织上和功能上不同的细胞群体。肺磁场是外部含有铁磁性物质的粉尘侵入人体肺部在磁化后所产生的剩余磁场。对于在采矿、冶炼、制造业等粉尘环境中工作的人，肺磁图提供了保健、监测的手段。此外，视网膜磁图、肝磁图、脾磁图等均可为某些疾病的诊断提供必要的信息。人工磁场在医疗保健方面也有重要意义，市场上的产品也是五花八门，如磁腰带、磁鞋垫、磁表、磁枕头等等。这类产品对一部分人的某些疾病，如腰肌劳损、扭挫伤、高血压等，可以起镇痛、消炎、降压、降血脂等作用。这种疗法叫静磁疗法。近年来，静磁疗法又发展成为经络磁场疗法，认为磁场作用于穴位上，可以疏通经络、调整气血、促进血液循环，从而对疾病起治疗作用。磁疗的适用范围虽广，但临床实践和理论研究尚有不足，只能作为辅助治疗。在农业、林业、畜牧业和渔业领域，用磁场处理种子、饲料、肥料、灌溉用水和饮用水，可以明显提高相应产品的产量和质量。生物体内的原子核系统和电子系统在恒定磁场和特定频率的电磁场作用下会产生核磁共振。用核磁共振方法可以检查种子潜伏的病虫害，分析农、牧、渔等产品的蛋白质和脂肪等养分的含量。
