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)象磁場對(duì)生物水和細(xì)胞的作用磁場的生物效應(yīng)磁場對(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。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

在外直流電場的作用下，細(xì)胞連同其界面吸附層一起向電場正極方向運(yùn)動(dòng)，稱為細(xì)胞電泳。細(xì)胞膜的表面外側(cè)蛋白質(zhì)、脂類、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)則向電場負(fù)極方向移動(dòng)，稱為電滲。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，肌肉收縮后來得及放松，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。用小的恒定直流作用局部缺血皮膚潰瘍，并與無電流作用的同類病例對(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。用0.2～140mA的直流電處理大腸桿菌，能顯著抑制其生長。玉米植株的上方施加一定正電壓電暈場，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定甜菜、大麥種子的自由基表明，靜電場處理使種子自由基增加，說明靜電場使生物膜透性改變，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；廣義生物磁學(xué)還包括磁生物學(xué)，即研究外界磁場對(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)在生物分子在磁場作用下產(chǎn)生與磁場反向的運(yùn)動(dòng)。一些綠色植物單細(xì)胞或其葉綠體放置于1T磁場中當(dāng)葉綠體的平面結(jié)構(gòu)與磁場垂直取向時(shí)，分子的取向反應(yīng)最大，與磁場平行時(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)受磁場作用都有抗磁性，但在順磁物質(zhì)中，由于順磁性超過抗磁性，故表現(xiàn)為順磁性。2.人體磁場

一般情況下，生物磁場遠(yuǎn)低于地磁場，難于進(jìn)行觀測和研究。在對(duì)微弱磁場的檢測中，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。五、磁場的生物效應(yīng)1.磁致遺傳效應(yīng)

磁場處理導(dǎo)致生物后代發(fā)生遺傳改變的現(xiàn)象稱為磁致遺傳效應(yīng)。比如用不同磁場強(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測到畸變。關(guān)于磁場如何影響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)在許多觀測到的磁場生物效應(yīng)中，外加磁場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，從能量的觀點(diǎn)考慮，較弱的磁場只是起激發(fā)作用，生物體起到能量放大作用，相當(dāng)于一個(gè)線性放大器。這種現(xiàn)象稱為磁致生物放大效應(yīng)。當(dāng)外加磁場達(dá)到閾值時(shí)，生物效應(yīng)開始產(chǎn)生，隨著磁場作用的增大，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)隨磁場的頻率而變，在某一頻率時(shí)，生物效應(yīng)最大，稱為生物共振。磁生物效應(yīng)與磁作用劑量正相關(guān)。3）場型和頻率

磁場大體上可分為恒定磁場和交變磁場。恒定場還要考慮磁場的均勻度,用梯度表示；交變場是場強(qiáng)和方向隨時(shí)間變化的磁場，用頻率表示。磁場強(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.電磁場的生物效應(yīng)

電磁場的生物效應(yīng)可以分為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累積效應(yīng)。根據(jù)不同頻率電磁場與生物組織相互作用機(jī)制的不同,通常將照射的電磁場分為3個(gè)頻段:靜電場(0Hz)和極低頻(ELF,0～300Hz)、中頻(300Hz～210MHz)和無線電頻率(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,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,若在人體尚未來得及自我修復(fù)之前,再次受到電磁輻射的話,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、滅酶等各種不同的加工過程中。4）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域磁場對(duì)農(nóng)作物發(fā)芽、生長和結(jié)果的作用,即在播種前利用磁場處理種子或在生長過程中施加一定的磁場可以影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。一些實(shí)驗(yàn)研究