生物的电现象幻灯片

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1、生物电现象及部分应用,李平 10052119,生物电现象,最早记载生物电现象的要数6000 年前埃及象形文字所记载的关于一条鱼的故事, 当时有一个渔夫在尼罗河里捕到一条鱼, 这条鱼电击了渔夫, 使渔夫慌乱之中丢下渔网让这条鱼逃之夭夭。这条鱼其实就是一种会放电的须鲶鱼。 第一个较为严密的理论贡献是Gilbert 在1600 年所写的De Magnete。 生物电磁学历史上的一个重要里程碑是大家熟知的意大利解剖学家Galv ani 在1791 年发明的电流刺激法, 他用切开的肌肉组织去刺激另一块肌肉的神经, 导致这块肌肉收缩, 从而证明了生物电的存在。 1819 年Orstedt 证明了电与磁之间

2、有着相互联系, 为制造出测量生物电现象的仪器奠定了基础。 1838 年法国生理学家Matteucci 应用了Nobili 在1825 年发明的无定向检流计( Astatic Galvanometer) 测量了青蛙肌肉的冲动。 1843 年德国生理学家Du Bois- Reymond 确认了蛙的心电活动, 并引用Act io n Potent ial 来描述心肌收缩。 1876 年法国人Bernstein 发明了断流器( Rheotome) , 能周期性地刺激神经和周期性地对神经电位进行采样, 描绘出了神经电位的波形。,同年, Marey 应用了1870 年Lippmann 发明的毛细管电计(

3、Capillary Elect rometer) 记录了蛙的心电图( ECG) 。 1887 年英国的Waller 用毛细管电计记录了人的ECG( 仅R 波和T波) 。 1903 年荷兰的Einthoven 用改进的弦线检流计记录了实用的心电图, 从而开创了现代心电图学。 1924 年德国人Berg er 报告了他用弦线检流计记录了人的脑电图( EEG) , 为研究人脑机能和诊断人脑疾病提供新的手段。 1963 年McFee 首次测量了心磁图( MCG) , 首次测量人的脑磁图( MEG) 一般认为是Dav id Cohen 在1968 年作出的。,1789年, 意大利有一位名叫伽伐尼的医生,

4、 在进行解剖青蛙实验时, 发现青蛙被解剖后, 虽然生命已经结束,但腿部肌肉仍然在收缩。后来,经证实, 这是电流刺激的结果。于是, 伽伐尼的发现,开创了生物电研究的开端。,构成生物体的任何器官、组织和细胞, 在活动的过程中, 都可以产生一定的电位变化, 从而形成生物电。生物电在人体组织、动物、植物以及微生物中都存在, 成为一种非常普遍而奇异的自然现象。,生物电现象的理论,1.植物的光电效应,植物的光合作用 绿叶在光合作用的过程中会吸收二氧化碳, 放出氧气。然而, 现今的科学成果证实, 绿叶也具有光电效应, 可以用来发电。 科研人员做过这样一个实验他们用特定的仪器和灵敏度极高的微型电流表, 对绿叶

5、在早晨太阳光照射下的光电效应, 进行测量, 竟然测出微安的电流。虽然电流极其微小, 但如果绿叶受光面积增大, 则绿叶所发的电流也可增强。 科学家在这一基础上进一步进行研究, 发现绿叶的光电作用和光合作用是同时发生的。当太阳光照射到绿叶上时, 绿叶就能吸收光能, 并且从水分中夺取电子。这些夺取来的电子不断地自由活动并且渐渐聚集起来。如果让这些电子在自由活动前就用固定的电场使这些电子定向移动就能形成绿叶电流。,一片绿叶的面积很微小, 但一棵大型的树却可以达到上万片, 最大的树甚至可以有多万片树叶。如果把这样一棵树的叶片都摊开来计算, 那么叶绿体的总面积可达多平方米, 按能量换算, 可相等于覆盖亩土

6、地的巨型太阳能转换站。要是一片树林, 那更是十分巨大。尽管有一定的能量损失, 其发电能力也是十分可观的。 叶绿体无论是春夏秋冬、晴阴雨雪, 都能吸收光能并转化为电能。在房屋周围广泛植树, 在墙边种植青萝紫藤、爬山虎等植物构成厚厚的多层覆盖的叠式植物群,不仅房舍周围环境大为改善, 也极有可能使每户人家有一个”绿叶发电厂”, 这将是真正的无尘、无污染、无噪音的最富有生命力的新型发电厂。,我们都知道，太阳能电池是利用阳光来发电，而植物也是用阳光来为自己的生长提供能量。目前，制约太阳能发电规模的重要因素是太阳能电池板成本太高。那么，有没有可能舍弃掉昂贵的电池板，而利用廉价的植物来作为太阳能发电的载体？

7、英国剑桥大学的研究人员认为，的确可以用植物来发电，他们还发明了一些用植物发电的新奇产品。 而英国剑桥大学的研究人员亚历克斯德里夫则认为，植物进行光合作用时，叶绿素不但能把水分解为氢和氧，而且还能把氢分解为带电荷的氢离子和带负电荷的电子。此时，植物体内会有电流产生，然后白白地消耗掉了。如果用人工的方法控制这个产生电流的过程，就可以积累植物中的电量，为人们提供生活和工业所需的用电。 几年前，为了验证植物叶绿素发电的可行性，日本科学家进行了一个特别的实验。研究人员把从菠菜叶内提取的叶绿素与卵磷脂混合，涂在透明的氧化锡结晶片上，用它作为正极安置在“透明电池”中，当它被太阳光照射时，就会产生电流。研究表

8、明，用叶绿素制造的电池能把太阳能的30%转换成电能，而现有的多数太阳能电池板仅能把10%20%的太阳能转变为电能。因此，研究人员认为利用植物进行太阳能发电应该比太阳能电池板发电的潜力更大。,生物光伏电池,研究人员把利用植物进行太阳能发电的方式称作“生物光伏发电”，用这种方法制成的电池为“生物光伏电池”。然而，日本研究人员制造的生物光伏电池有一个很大的缺陷，那就是不能持久发电，因为用于制造电池的叶绿素与卵磷脂都是从植物中提取出来的大分子有机物，离开植物的生存环境后很容易分解而失去吸收太阳能的功效。 于是，英国剑桥大学的研究人员改进了日本研究人员的发电技术。他们认为利用活生生的植物也可以发电，并开

9、发出不少活的“生物光伏电池”。比如，研究人员在一些植物盆栽中设置一些电极，就可以及时搜集植物在进行光合作用时产生的电量。根据目前进行的实验，一盆直径1米的蕨类植物可以产生100瓦的电力，在阳光灿烂的日子一天可以产生将近1度电。蕨类植物对生长所需的土壤肥力要求不高，管理起来十分方便，生长也很迅速，比较适合用作发电。 主要用杂草和树木发电 除了蕨类植物外，研究人员更看好的是各种藻类植物，因为藻类生长和扩张都很迅速，对环境的要求更低，各种水质的水域都可以生长藻类，阴暗潮湿的地方也可以生长藻类。除了藻类外，更加原始的苔藓类植物也是研究人员即将利用的对象。当然，植物资源最丰富的森林是研究人员所认为的“生

10、物光伏”电能宝库。他们已经设计了一种电能杆，准备从森林中的树木中搜集电能。 我们知道，世界上的能量是守恒的。如果把植物光合作用的能量用于发电，必然会影响植物的生长。因此，在未来将主要用杂草和树木来发电，不会用粮食作物、蔬菜和果树来发电。和传统的太阳能发电一样，“生物光伏”发电也面临着储能的问题。也就是说，有阳光照射的时候，电能会源源不断地产生并需要及时消耗，而在夜晚没有阳光的时候则不会产生电能，需要用一些储电设备来解决这个问题。 尽管利用植物进行太阳能发电的技术刚刚起步，研究人员却对它的前景十分看好。植物发电不但效率高，而且十分便捷，可以当地发电当地使用，不需要复杂的电网进行远程输电，尤其适合

11、偏僻地区和灾区。剑桥大学的研究人员甚至认为，在乡村和旅游度假区，生物光伏电池将有可能逐步取代同样是刚刚起步的太阳能电池；在城市，居民可以利用阳台上、庭院中和家里的各种盆栽植物来发电，为家庭的电器提供电能。,实验，1000亿根蚕豆根产生的电压可以点亮100W的灯泡。,其它植物电现象及应用,含羞草等一类植物, 叶子只要被轻轻一碰, 便会有电流产生, 而且通过电流移动往叶柄传递, 使叶柄低垂下去。 把一粒豌豆与电压表链接，当豌豆被加热到60时，在仪表上就显示出电位差。 在几棵松树上装上电位计，当这段一根树枝时电位计上指示的数字突然增加,人和动物体内的微弱电流,人类是生物中的重要组成部分, 人体不但产

12、生电,而且, 整个生命运动都离不开电刺激来传递信息。据计算，人的心脏正常跳动时，可以产生12毫伏,频率为几十赫兹的电流。大脑也可以产生20100微伏，频率为十赫兹的电流。 除此之外，肌肉、耳蜗、肠胃等也会产生强度不同的微弱电流。 记录肌肉兴奋时发生的电势变化图形, 叫彬四L动电流图(e lec tro m yog ra m ) , 简称肌电图(E MG ) ; 记录心脏收缩而引起的电势变化图形, 叫做心动电流图(e lec tro ca rd i。一gr a m ) , 简称心电图(E C G ) ; 还可以记录大脑活动过程发生的 电势变化图形, 叫做脑动电流图(e e le e tr o e

13、 n e e p h a lo g r a m ) , 简称脑电图(E E G )等。医生可凭这些图 形诊断患者的疾病。 生物电不仅存在于人和在现代医学中心电图仪（ECG）和脑电图仪就是根据这种生物电的存在进行工作的，胃肠道的生物电活动用于进行胃癌及腹部手术后的观察。还有的国家通过对人体皮肤电位的测定, 从变化中研究某些心理疾病的发展和变化。在航天、航空方面, 可以利用心电扫描器来记录人在高空飞行中的心率变化和地心引力与心脏位置的关系。利用脑电记录仪来测知飞行者精神状态和觉醒程度。,经过科学家的不懈努力, 发现水中的鱼类就有500多种能够放电。电鳐, 能发放60 80伏左右的电脉冲，电鳗, 能

14、发放600 800伏左右的电脉冲。其中, 非洲和意大利的电鳗、电鳃的放电量都达到220伏以上, 电压强度超过了我们日常用电 。 更为有趣的是, 电鳗的头上还有一个微微突起, 可以接收其它水中生物发出的电波。 而生长在非洲内河中的象鼻鱼, 能够连续发出电流, 遇到障碍物便被反射回来, 被它的接收器官接收后, 就可以判别对方是敌人还是猎物。 早在2000多年以前，古罗马人就已经利用鳐鱼放电来治疗精神病。 利用动物产生的生物电作为宇宙飞行中无线电发射机的电源, 来进行通讯联络。 在电子仿生学中, 生物电的作用也发挥了巨大作用。仿造电鳗身体结构制造的潜艇, 使人很难分辨出是船还是鱼。日本通过接收鳗鱼、

15、金鱼发出的电流, 可以判断水源污染及气象变化。有的科学家用电子元件,制作出模拟人鼻子功能的“ 电子嗅觉器” , 来进行环境监督和检测。 一些技术发达国家, 直接利用生物电来用作能源。,除了像电鳗、电鳐这些能够产生强电力的电鱼外, 还有一些鱼类, 虽然也有电器官, 但产生的电力非常 弱, 如裸臀鱼和象颌鱼。产生强电力的鱼类, 通过电器 官发放高电压或强电流来吓跑敌害或击昏小动物, 起 到防御和捕食的作用。产生弱电力的鱼类, 生活在混 浊、能见度很低的环境, 视觉退化, 皮肤上有电感受器, 能感受由电器官不停放电形成的电场的变化, 其机理 类似雷达, 起到探测环境的作用。有些产生强电力的 鱼, 如电鳗, 也能产生弱电, 并且具有电感受器, 同样可 以探测周围的环境。另外, 放电生物还可以发放不同 频率的电脉冲, 在个体之间传递不同的信息, 起到通信 的作用。,细菌发电,1910年，英国植物学家利用铂作为电极放进大肠杆菌培养液里，成功的制造出世界上第一个细菌电池。 1984年，美国科学家设计出太空飞船使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。 80年代末，英国化学家让细菌在电池组里分解分子，释放电子向阳极运动，从而产生电能。操作时还在糖液中添加芳香族化合物作为稀释液，来提高生物系统输送电子的能力,