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2、讨 生命 现 象 吴本瑜 ( 北京 医科大学生物 物理 系1 0 0 0 8 3 北京) ，t 摘 要 ， 。 1 目前在 国际上开始重视生物机体 的物理调 节。 本 文从 生物 分子水平 、 细胞水平 和器 官 水 平介 绍 j生物体 中存在着 不同层次 的电磁 场 ， 介 绍 7自然界 电磁 场和各种 电磁 波治疗 仪 的医学生物学效应 以及弱 电磁场 引起 生物效应 的可能机 制和有 关理论 最后从 电磁学 观点对某些 气功现象进行 j分析 。 关键 司 ： 生物 悄 曲 蜘垄 遢蔓 电 磁 场 偶扳 子 生物 放 大过 程 相干电 振 荡 理论 为什么要谈这个阿题?是根据 3 个方面的
3、 1 0 。 e s u的两个电荷 ， 相矩为 1 的偶极矩) 。 情 况 ： 1 ，因为 生物体 中存在 着不 同层次的 电磁 肤单元 的偶极 矩为 3 6 D， 小型球蛋 白的偶极矩 场。2 过去对化学激素、 递质对机体的调节谈 约为数百 D。 得较多 ， 目前从国际范围开始重视生物机体的 ( 2 ) 分子内部和分子之间有相互催用力， 一 物理调节 。国外 生物 电磁学 杂志 最近在首页 般 可分 为强相互 作用力 和弱相 互作用力 。 强调 指 出要重视 生物机 体 内的物理 调节 ， 特别 强相 互 作 用力 构 成 生物 分 子 的 一级 结 是 电磁调 节问题 。 3 ， 1 9
4、9 4年在美国圣地亚哥市 构 ， 包 括离子键 、 共 价键 和 键 。所产生的键能 开了一个 国 际会 议 ， 会 上有 一位 乌克兰 的物理 远大 于体温 ( 2 7 3 +3 7 =3 1 0 K) 下 分子热运 动的 数学 家 P r o f S S i t k o搞 了一个毫米微 波共振 平均 能量 2 5 1 KJ mo l ， 约在几百 个 KJ too l 数 治 疗仪 ， 报 道 了用 1 0 1 0 W e ra 的功 率 量级 ， 强相互 作用与识 别有关 ， 例如 乙酰 胆碱 和 强度即可以治病 ， 他提出要从 电磁框架来了解 乙酰胆碱脂酶中的定位作用 人体的功能调节
5、弱相互作 用和生物体 内许多生物大分 子 根据 以上这 些情 况 ， 所以想 从 电磁学观 点 呈偶极 子 的存在形 式有关 ， 它在 维持大 分子 空 来探讨生命现象的问题 。 下面分 3 个问题来谈 。 间结构和细胞膜脂的双层结构中起主要作用。 一 、生 物 体 中 存 在 着 不 同 层 次 的 电 磁 场 易 为 篙 ： 约 占 。 ， 水 分 子 1 生物分子水 平 ： 生 物体 中存在着带 电离 f H O) 实 际上 也是 以偶极 子形 式存 在 ， 但 一般 子如 Na 一 ， K ， C a 等以及生物大分子如氨基 水分子在体内不是单独存在而是和离子或其它 酸和蛋白质等。 物
6、质结合存在。如离子在水中在其周围形成一 ( 1 ) 生物大分子是 以偶极子形式存在 的 ， 如 个 水 层 称 为 水 化作 用 ( 作 用 能 一 3 1 8 1 o 5 J 氨基酸含有氨基( +) 和搜基( 一) 形成偶极子 ， mo 1 ) 如果疏水物质进入水中， 以氢键方式形 还有一定 的偶极矩 甘 氨酸 的偶 极矩为 1 5 9 D 成 笼形 结构 ( c a g e s t r u c t u r e ) ， 可以使分 子有 序 ( D e b y e ， 德拜偶极 矩的单位 ， 等于每个为 4 8 化 7 一 一鳗 l 70 l e ， No 2 CHl NE s E J O U
7、R NALO F S 0MAT t CSC I ENC E 根 据上 面所述 ， 也 可以把 生物体 看成是 一 个包 含有离子和偶极子等的容积导体 。 2 、 细胞水 平 ： 细胞是 生命有 机体 的基本 单 位 。 ( 1 ) 静息 电位和动作 电位 ： 因为在细胞膜的 二侧离子 呈不对 称的分布 ， 膜外带正 电， 膜 内带 负电 ， 所以细胞在静息状态 时有静息 电位 其跨 膜 电位为 1 0 0 my数量级 ， 细胞 膜很薄， 仅 为 1 o M ， 因 之构 成 很 大 的 电位 梯 度 ， 可 以达 到 1 0 v c m， 所 以细胞 膜二侧 有强大 的 电场 存 在 。 在
8、细胞兴奋 时 有动作 电位产生 ， 出现 击极化 和 复极 化过程 ， 此时膜 内外二侧 电符号发生变化 ， 膜外从 带正 电转 为负 电， 膜 内侧 则 由负 电转 为 正 电， 因之细胞周 围的 电场也会有明显变化 ， 其 数量级和静 息电位差 不多 。 ( 2 ) 容 积导体 中 神经 纤维周 围的电场和磁 场 ： 以神经纤维 为倒 ， 当静 止时膜外带 正 电 ， 膜 内带 负 电； 当神经纤 维兴奋时出现击极化过程 ， 此 时膜内带正 电， 膜外带 负 电； 当复极 化时则膜 内为负 电， 膜外 带正电 图 1右侧示击极化时偶 极子 左侧 示复极化 时偶 极子 ， 其周 围细线为 电
9、 力 线 ， 与 电力线 呈垂 直方向的是磁场 ， 右侧为击 极化 时磁 场方向 ， 左侧 为复极 化时磁场 方向。 此 图 1 神经纤 维击极 化和复 极化 过程 中电磁 场的变 化 时磁 场强 度可用 超导 磁强计 测量 超导 磁强计 灵敏 度为 1 0 _ 。 T， 即可测 到 比地 磁场 ( 1 0 T) 还 小 1 0 的磁场强度 ， 通过超导 磁强计可测 到神经纤 维兴 奋 时 其跨 膜磁 场 为 2 0 0 P T( 2 1 0 一。 T) 计 算 出 电流 为 2 A( 1 0 A) ， 这 是 目 前可 以精确测到 的 。同时还 可以知道二个神经 细胞 之间 突触 电位 梯度
10、 为 1 0 V e ra， 比动作 电 位( 1 0 v z e ra) 要小 ， 脑 电电场为 1 0 V c m。 ( 3 ) 膜离子 通道 中的 门控 电流 ( g a t i n g c u r r e n t ) 和 单 通 遭 电流 ： 细 胞膜 上 有 许 多 细胞 感 官 ， 如受体 、 离子通道 等 ， 下面谈 谈膜 离子通道 图 2示 一个模 式 的离 子通道 ， 在 脂类双 分子 层 中有一个膜通道 蛋 白， 其内 口有 闸门 ， 兴奋 时闸 门打开， 此时 N a 一 可往细胞内流 ， 静息时闸门 关闭 这个过程现在可用膜片钳技术来测量 ， 这 是 一个新 的技 术
11、， 过 去 只能 测定 通过细 胞一个 区域上 的离子 电流 ， 现在可 以测 到单通道 上 的 电流 。这是 二位 德国科学家在 1 9 7 6 年首 创的 ， 为此得 到了诺 贝尔奖 。 目前测到 的单通道 电流 为零 点几 到 几个 P A( 1 0 。 。 A) ， 不 同离子 通道 有 差别 ， 如 Na 通 道 比较大 ， 为几 个 P A( 1 0 A) ； Ca ” 通道 比较 小 为零 点几 P A( 1 0 。 。 A) 。 通道开放 时间也 不一样 ， 大约 为 1 0 s至 l s 。闸 图 2 离子通 道 模式 图 脂双层膜胞外何狭窄的选择性滤过器糖残基 电压传感器胞
12、浆侧液体通道通道蛋白闸 门话 蛋 自 中国人 体科学6卷 2期 门电流的形成是与一些带电的基团有关 可能 是羧 基 ( COO ) ， 也 可 能是 磷 酸基 ( P O ) ， 它 们是带 电 的基团 ， 困之 当其 位置 改变 时 可产生 电流 。 可 用电压钳 方法测到 ， 用药 物把 Na 一 、 K 等 离子通道 阻断 ， 可测 出闸门 电流 ， 它 的大 小约 是 Na 、 K一 通道 电流值 的 1 1 1 O 0 。 ( 4) 细 胞 通 讯 ( c e l l c o mmu n i c a t i o n) ： 细 胞 间通讯也有 电磁现象 目前认 为有三种不 同的 通讯
13、。 长程通讯 ： 是通过激 素、 血 液循 环把 信息 送 至远距 离的靶器官 短程通 讯 ： 是通 过二个 神经 细胞之 间的 突触 ， 由神经递质或电流进行联系的。 直接联系： 直接联系是细胞之间的紧密 结合， 也叫间隙联结， 是通过蛋白颗粒建立细胞 间的直接联系。现在发现细胞直接联系也可通 过化学物质或电偶连进行联系。 下面 要 着重介 绍 的是 1 9 9 4年 一个 很有创 新意 义 的实验 ， 显 示细胞 与细 胞之 间的联 系可 以通过光子发射。 他用一个暗盒( 图 3 ) ， 中间放 二 个 隔板 ， 一 个 隔板 完 全遮 光 ， 另一 个则 不 遮 光 然后 在 A， B，
14、 c三 个石英杯中各放入浓度为 - - f 一 曰I回 田 圈 3研究不同嗜中性 白细胞群之间光相互怍用的实验示意图 P MI 光电倍增管 l P M I 光电倍增管 l l O 细 胞 ml的嗜 中性 白血 球 l O ml ， 他 在 B杯 中放入 l g ml 的化学刺 激剂佛皮豆蔻 乙脂 ( P MA) 此 刺激剂可使嗜 中性 白血 球的吞 噬功 能增强 ， 表现为细胞 内代谢旺盛 ， 耗氧 能力大大 增 加 产 生“ 呼吸爆 发” ， 即 突然大量 耗氧 ， 产生 大量 的 活性 氧 自由基 其结 果在 加入 P MA 后 1 O 1 5分 钟 产生 化学发 光大 大增 强 ， 称
15、为“ 发 光爆发 ， 此时 可见 到并 未加入 P MA 与 B杯 之 间并未 遮光 的 c杯经一 弛 豫时 间后 也 同样 出 现“ 呼吸爆发 和“ 发光爆发” 现象， 经一个半小 时后发 光达 到最高峰 。 此 时 A杯 由于与 B杯 完 全遮光 隔断就没有 出现这些现象 。这是科学界 的新发现 。 实验结果表 明 ， 细胞之间联系有 可能 通过光子发射来实现， 这也是电磁波的通讯 ， 其 强度很弱 ， 称 为超 微弱 化学 发光 ， 其强度 大约为 1 1 O 0光子 s e c e ra。 ， 即相 当于在 1 O公里 外 观察 到一支烛 光的亮度 ， 人 眼是看 不见 的 ， 但通 过非常灵敏的光电倍增管是可以测量到的。 3 器官水平 ： 有代表性 的器官水平的电磁 现象 如心 电图、 心磁 图、 肌 电图 肌磁 图和脑 电 图 、 脑磁图 。下面重点介绍脑 电图和脑磁图 。 脑电图和脑磁图主要与大脑皮层神经细胞 的电活动有关 从神经细胞产生的电场类型大 概可分为二类 ： ( 1 ) 闭合电场( c l o s e d f i e l d ) 一般 1 0 ) 图 4 大锥体神经细胞顶辫赛 奋时细胞周目的电场 辨突胞体轴突 一 一一 + + 、
