生物電學(xué)和生物磁學(xué)課件

第六章生物電學(xué)和生物磁學(xué)生物電特性電力電化作用電刺激與組織興奮性靜電生物效應(yīng)生物磁現(xiàn)象磁場(chǎng)對(duì)生物水和細(xì)胞的作用磁場(chǎng)的生物效應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)癌組織和癌細(xì)胞的抑制效應(yīng)一、生物電特性

經(jīng)過(guò)多年研究分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)絡(luò)與生物電都有整體性、生物性、傳導(dǎo)性、非結(jié)構(gòu)性和物質(zhì)性。這一驚人的一致性啟發(fā)我們提出了經(jīng)絡(luò)生物電理論，即經(jīng)絡(luò)是生物電在人體內(nèi)產(chǎn)生和流動(dòng)的軌跡。如果生物電的產(chǎn)生、流動(dòng)出現(xiàn)故障，生物電的流動(dòng)無(wú)法正常運(yùn)行，人體就會(huì)出現(xiàn)異常病癥。并建立了經(jīng)絡(luò)生物電流動(dòng)學(xué)說(shuō)。1.生物電的整體性人體生物電產(chǎn)生于人體分子、細(xì)胞和器官的興奮，同時(shí)，體內(nèi)的每個(gè)分子細(xì)胞和器官都直接或間接參與了生物電的傳導(dǎo)，這樣就形成了人體生物電系統(tǒng)的整體性。2.生物電的傳導(dǎo)性生物電是電，具有電的性質(zhì)，電是可以傳導(dǎo)的。電的流動(dòng)是從高電位流向低電位。人體是一個(gè)閉合的系統(tǒng)，所以人體生物電在體內(nèi)具有閉合傳導(dǎo)性。由于閉合性，生物電可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存于體內(nèi)。4.生物電的物質(zhì)性

電是物質(zhì)的，生物電也是電，具有電的特性，所以生物電也是物質(zhì)的。5.生物電的生物性

生物電存在于生物體內(nèi)。心電圖是人體生物電的一個(gè)常用指標(biāo)。當(dāng)人體死亡時(shí)，心電圖就會(huì)消失。說(shuō)明生物電在活的生物體內(nèi)存在。如果生命終止，生物電也隨之消失。6.細(xì)胞電泳

在外直流電場(chǎng)的作用下，細(xì)胞連同其界面吸附層一起向電場(chǎng)正極方向運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為細(xì)胞電泳。細(xì)胞膜的表面外側(cè)蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、多糖及糖蛋白等組分帶有負(fù)電荷基團(tuán)，使得細(xì)胞膜外表面呈現(xiàn)負(fù)電荷特性。細(xì)胞懸液中帶有正電荷的分散介質(zhì)則向電場(chǎng)負(fù)極方向移動(dòng)，稱(chēng)為電滲。二、電刺激與組織興奮性1.脈沖刺激與生物效應(yīng)

用尖脈沖刺激肌肉,刺激相應(yīng)與脈沖頻率有關(guān)。當(dāng)頻率低于15Hz左右，兩脈沖間間隔時(shí)間長(zhǎng)，肌肉收縮后來(lái)得及放松，則一個(gè)脈沖引起一次收縮。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖引起的肌肉收縮尚未完全松弛時(shí)，下一個(gè)脈沖已到，則收縮表現(xiàn)有起伏，肌肉張力增大。若脈沖頻率繼續(xù)增大，肌肉失去了松弛時(shí)間，出現(xiàn)肌肉平滑強(qiáng)直收縮。強(qiáng)直收縮力約4倍于單個(gè)收縮。平滑強(qiáng)直收縮發(fā)生于20～35Hz。刺激頻率再大，肌肉的張力增加不多，但仍是平滑強(qiáng)直收縮。若持續(xù)刺激，肌肉就會(huì)出現(xiàn)疲勞。

脈沖刺激興奮神經(jīng)或肌肉與脈沖強(qiáng)度和脈沖寬度有關(guān)。脈寬越寬，引起興奮的強(qiáng)度越小，當(dāng)脈寬很寬時(shí)，仍可以興奮神經(jīng)或肌肉的強(qiáng)度叫強(qiáng)度基，小于強(qiáng)度基就不能興奮。秒刺激次數(shù)應(yīng)小于1000次。對(duì)于交流電，若正負(fù)兩半周各形成一次脈沖，交流電的頻率應(yīng)小于500Hz。2.SMC刺激與生物效應(yīng)

用正弦低頻電流（<150Hz）調(diào)制等幅中頻交流（>1000Hz），得到正弦調(diào)制交流電流（SMC），即是脈沖交流，其具有低頻和中頻的優(yōu)點(diǎn)，是經(jīng)常采用的一種刺激源。

SMC使大腦皮層神經(jīng)元的核倍體增多，從而使神經(jīng)細(xì)胞組織整體機(jī)通0.2～0.3mA的恒定直流，發(fā)現(xiàn)陰極能加速皮膚生長(zhǎng)。用小的恒定直流作用局部缺血皮膚潰瘍，并與無(wú)電流作用的同類(lèi)病例對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：受刺激的愈合率約30%，而對(duì)照組為14.7%。

直流電還可抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。用0.2～140mA的直流電處理大腸桿菌，能顯著抑制其生長(zhǎng)。玉米植株的上方施加一定正電壓電暈場(chǎng)，離子濃度可達(dá)時(shí)，可使植株增高，莖增粗，產(chǎn)量增加。但這種方法難以在大面積種植上推行。實(shí)驗(yàn)證明，直接用靜電場(chǎng)處理種子，也可以促使作物提高產(chǎn)量和質(zhì)量。用順磁共振波譜儀測(cè)定甜菜、大麥種子的自由基表明，靜電場(chǎng)處理使種子自由基增加，說(shuō)明靜電場(chǎng)使生物膜透性改變，新陳代謝加速。四、生物磁現(xiàn)象

大至地球、月球、太陽(yáng)及星際空間，小至組成物質(zhì)的分子、原子、電子和質(zhì)子、中子等，均具有磁性。地球上的一切生物都處于地磁場(chǎng)之中。

生物磁學(xué)是正在興起的生物物理學(xué)一個(gè)分支。狹義生物磁學(xué)指研究不同層次生物材料所產(chǎn)生的磁場(chǎng)；廣義生物磁學(xué)還包括磁生物學(xué)，即研究外界磁場(chǎng)對(duì)生物機(jī)體在不同層次的作用所產(chǎn)生的生物效應(yīng)即其相應(yīng)的作用機(jī)理；生物磁工程技術(shù)，如核磁共振成像。1.生物材料的磁性

對(duì)生物大分子的廣泛研究得知，大多數(shù)生物大分子是各向異性反磁性，少數(shù)為順磁性，極少數(shù)呈鐵磁性。

生物分子的抗磁性，表現(xiàn)在生物分子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與磁場(chǎng)反向的運(yùn)動(dòng)。一些綠色植物單細(xì)胞或其葉綠體放置于1T磁場(chǎng)中當(dāng)葉綠體的平面結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)垂直取向時(shí)，分子的取向反應(yīng)最大，與磁場(chǎng)平行時(shí)，取向反應(yīng)最小。這種取向反應(yīng)與葉綠體片層結(jié)構(gòu)所含的各向異性反磁性組分相關(guān)。

生物材料的順磁性，與其中有過(guò)渡金屬離子的成分有關(guān)。人體中有13種金屬元素，其中有8種為過(guò)渡金屬離子，具有順磁性。例如進(jìn)行氧化輸送的血紅蛋白，進(jìn)行電子傳遞的細(xì)胞色素，DNA生物合成需要的核糖核苷酸還原酶等。任何物質(zhì)受磁場(chǎng)作用都有抗磁性，但在順磁物質(zhì)中，由于順磁性超過(guò)抗磁性，故表現(xiàn)為順磁性。2.人體磁場(chǎng)

一般情況下，生物磁場(chǎng)遠(yuǎn)低于地磁場(chǎng)，難于進(jìn)行觀(guān)測(cè)和研究。在對(duì)微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)中，當(dāng)前采用鐵磁屏蔽技術(shù)和空間鑒別技術(shù)。

通常情況下，人體磁性的來(lái)源：1）生物電流產(chǎn)生；2）有生物磁性材料產(chǎn)生；3）侵入人體內(nèi)的強(qiáng)磁性物質(zhì)產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)。五、磁場(chǎng)的生物效應(yīng)1.磁致遺傳效應(yīng)

磁場(chǎng)處理導(dǎo)致生物后代發(fā)生遺傳改變的現(xiàn)象稱(chēng)為磁致遺傳效應(yīng)。比如用不同磁場(chǎng)強(qiáng)度處理大麥種子后，發(fā)現(xiàn)DNA合成率下降了，同時(shí)在第二代的染色體中也觀(guān)測(cè)到畸變。關(guān)于磁場(chǎng)如何影響DNA分子的結(jié)構(gòu)并引起生物遺傳變異的，目前仍了解甚少，一般認(rèn)為，磁場(chǎng)可能引起DNA分子的氫鍵發(fā)生畸變，影響氫離子水、吸肥能力，發(fā)育期提前，穗粒數(shù)和千粒重增加，抗寒抗病能力提高）。此外，地磁場(chǎng)反向時(shí)，會(huì)導(dǎo)致生物滅絕。3.磁致放大效應(yīng)在許多觀(guān)測(cè)到的磁場(chǎng)生物效應(yīng)中，外加磁場(chǎng)的能量常常是很小的，但產(chǎn)生的生物效應(yīng)反映出的能量卻往往較大，從能量的觀(guān)點(diǎn)考慮，較弱的磁場(chǎng)只是起激發(fā)作用，生物體起到能量放大作用，相當(dāng)于一個(gè)線(xiàn)性放大器。這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致生物放大效應(yīng)。當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到閾值時(shí)，生物效應(yīng)開(kāi)始產(chǎn)生，隨著磁場(chǎng)作用的增大，生物效應(yīng)相應(yīng)增大，這是一種累積效應(yīng)。還用一種情況是，生物效應(yīng)隨磁場(chǎng)的頻率而變，在某一頻率時(shí)，生物效應(yīng)最大，稱(chēng)為生物共振。磁生物效應(yīng)與磁作用劑量正相關(guān)。3）場(chǎng)型和頻率

磁場(chǎng)大體上可分為恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)。恒定場(chǎng)還要考慮磁場(chǎng)的均勻度,用梯度表示；交變場(chǎng)是場(chǎng)強(qiáng)和方向隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，用頻率表示。磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度都是矢量，它們?cè)谏矬w內(nèi)引起的物理作用（力、力矩、電動(dòng)勢(shì)等）都具有方向性。研究發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場(chǎng)的損傷作用與細(xì)胞大小有關(guān)。六、生物電磁學(xué)研究進(jìn)展1.電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)

電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)可以分為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累積效應(yīng)。根據(jù)不同頻率電磁場(chǎng)與生物組織相互作用機(jī)制的不同,通常將照射的電磁場(chǎng)分為3個(gè)頻段:靜電場(chǎng)(0Hz)和極低頻(ELF,0～300Hz)、中頻(300Hz～210MHz)和無(wú)線(xiàn)電頻率(RF,10MHz～2300GHz)。RF輻射,特別是高強(qiáng)度的輻射,可使機(jī)體產(chǎn)熱,即熱效應(yīng),所造成的危害是肯定的。機(jī)體在反復(fù)接觸低強(qiáng)度RF輻射后,體溫雖無(wú)上升,但會(huì)發(fā)生機(jī)體結(jié)構(gòu)改變和功能紊亂等現(xiàn)象,即非熱效應(yīng)。低頻電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)主要為非熱效應(yīng),它會(huì)干擾人體固有的微弱電磁場(chǎng),影響內(nèi)部的機(jī)理功能。熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)對(duì)人體造成傷害后,若在人體尚未來(lái)得及自我修復(fù)之前,再次受到電磁輻射的話(huà),其傷害程度就會(huì)發(fā)3）食品加工微波技術(shù)作為一種現(xiàn)代高新技術(shù),已廣泛應(yīng)用于食品加熱、殺菌、干燥、解凍、膨化、殺蟲(chóng)、滅酶等各種不同的加工過(guò)程中。4）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域磁場(chǎng)對(duì)農(nóng)作物發(fā)芽、生長(zhǎng)和結(jié)果的作用,即在播種前利用磁場(chǎng)處理種子或在生長(zhǎng)過(guò)程中施加一定的磁場(chǎng)可以影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。一些實(shí)驗(yàn)研究