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1、生生 物物 物物 理理 学学河北工业大学 生物物理所1河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第1页l3.1 生物电特征生物电特征l3.2 电力电化作用电力电化作用l3.3 电刺激与组织兴奋性电刺激与组织兴奋性l3.4 静电生物效应静电生物效应l3.5 生物磁现象生物磁现象l3.6 磁场对生物水和细胞作用磁场对生物水和细胞作用l3.7 磁场生物效应概述磁场生物效应概述第3章 生物电磁学2河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第2页3.1 生物电特征生物电特征l3.1.1 蛋白质偶极矩蛋白质偶极矩l3.1.2 生物水电特征生物水电特征l3.1.3 细胞电活动基础细胞电活动基础l3.
2、1.4 细胞电参量细胞电参量l3.1.5 生物电阻抗生物电阻抗l3.1.6 中心导体模型中心导体模型l3.1.7 生物组织介电性质生物组织介电性质3河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第3页 生物体内充满了电荷，绝大部分电荷以离子、离生物体内充满了电荷，绝大部分电荷以离子、离子基团和电偶极子形式存在。子基团和电偶极子形式存在。（1）组成蛋白质）组成蛋白质20种氨基酸中有种氨基酸中有13种在水中能离解产生离子基团种在水中能离解产生离子基团或表现电偶极子特征；或表现电偶极子特征；（2）DNA大分子中碱基和磷酸酯也存在离子基团和偶极子；大分子中碱基和磷酸酯也存在离子基团和偶极子；（3）生物
3、水本身就有强烈电偶极作用；）生物水本身就有强烈电偶极作用；（4）生物体本身还存在）生物体本身还存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等无机等无机离子；离子；4河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第4页3.1.1 蛋白质偶极矩蛋白质偶极矩 在组成蛋白质在组成蛋白质1313种极性氨基酸中，依据其在水中状态，分为酸性、碱性、种极性氨基酸中，依据其在水中状态，分为酸性、碱性、中性；中性；（1 1）酸性或碱性氨基酸侧链在不解离状态下也存在极性基团而表现极性；）酸性或碱性氨基酸侧链在不解离状态下也存在极性基团而表现极性；（2 2）由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键联结，因为原子中心不重
4、合而使肽键展）由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键联结，因为原子中心不重合而使肽键展现极性，现极性，5河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第5页3.1.2 生物水电特征生物水电特征 在生物体中，水不但提供细胞生活环境，还在相当程度上在生物体中，水不但提供细胞生活环境，还在相当程度上决定着生物大分子构象和功效，影响生命活动中物质输运、能量决定着生物大分子构象和功效，影响生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程。转换和信息传递过程。（1 1）水分子含有很强偶极性；）水分子含有很强偶极性；（2 2）能与其它水分子，离子或生物大分子极性基团之间形成氢键；）能与其它水分子，离子或生物大分子极性基团之
5、间形成氢键；6河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第6页3.1.3 细胞电活动基础细胞电活动基础 生物电现象是生物界一个极普通生理现象。细胞膜电位瞬时改生物电现象是生物界一个极普通生理现象。细胞膜电位瞬时改变可造成组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和效应变可造成组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和效应基础。基础。1、细胞静息电位、细胞静息电位静息电位：指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧电位差。静息电位：指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧电位差。静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电状态，称为极化状态。静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电状态，称为极化状态
6、。各种细胞静息电位数值不一样；各种细胞静息电位数值不一样；如：哺乳动物神经细胞静息电位为如：哺乳动物神经细胞静息电位为-70mV-70mV；骨骼肌细胞为骨骼肌细胞为-90mV-90mV；人红细胞为人红细胞为-10mV-10mV；7河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第7页 在细胞内液和外液中，有在细胞内液和外液中，有NaNa+、K K+、ClCl-、CaCa+等各种离子和等各种离子和一些带电荷蛋白质分子，普通细胞内液和外液中各自正负电一些带电荷蛋白质分子，普通细胞内液和外液中各自正负电荷是相等，但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。荷是相等，但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。
7、细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突3694439134985208河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第8页可兴奋细胞静息电位可兴奋细胞静息电位VGoldman-Hodgkin-Kalz方程：方程：9河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第9页 生物组织能够对外界刺激发生反应，当刺激到达一定阈值时，生物组织能够对外界刺激发生反应，当刺激到达一定阈值时，生物组织发生反应，称为生物组织发生反应，称为兴奋兴奋。在神经和肌肉中，这种能力高度发展，
8、主要表现是细胞膜电在神经和肌肉中，这种能力高度发展，主要表现是细胞膜电位发生快速改变。位发生快速改变。2、细胞动作电位、细胞动作电位l动作电位动作电位：当刺激强度较小时，细胞膜内外电位差会在短时间内减小，：当刺激强度较小时，细胞膜内外电位差会在短时间内减小，减小程度与刺激电极间距大小成反比，细胞膜电位仍是外正内负。当减小程度与刺激电极间距大小成反比，细胞膜电位仍是外正内负。当刺激强度超出某一阈值时，可兴奋细胞跨膜电位，在短时间内由外正刺激强度超出某一阈值时，可兴奋细胞跨膜电位，在短时间内由外正内负变为外负内正，到达最大值后，再逐步恢复到原来状态。这种短内负变为外负内正，到达最大值后，再逐步恢复
9、到原来状态。这种短暂电位改变，成为动作电位。暂电位改变，成为动作电位。l细胞处于静止电位时称为细胞处于静止电位时称为极化极化，极化量减小时成为，极化量减小时成为去极化去极化；10河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第10页l（1 1）去极化（）去极化（2 2）反极化（）反极化（3 3）复极化（）复极化（4 4）超极化）超极化动作电位普通分为四个时相：动作电位普通分为四个时相：细胞动作电位产生，取决细胞动作电位产生，取决细胞膜两侧电压和膜对于特细胞膜两侧电压和膜对于特定离子，尤其是钠、钾离子定离子，尤其是钠、钾离子随时间改变通透性。当动作随时间改变通透性。当动作电位发生时，细胞对于钠、
10、电位发生时，细胞对于钠、钾离子通透性显著增加。钾离子通透性显著增加。11河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第11页3.1.4 细胞电参量细胞电参量 膜是由脂类物质组成，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋白膜是由脂类物质组成，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋白质组分特征、构象及膜上位置改变，造成膜两侧某种特定导电状质组分特征、构象及膜上位置改变，造成膜两侧某种特定导电状态。态。膜两侧糖和蛋白质也往往有许多带电离子基团，而且与细部内液和膜两侧糖和蛋白质也往往有许多带电离子基团，而且与细部内液和外液中各种离子相互作用，形成一定厚度电荷层，相当于一个电容外液中各种离子相互作用，形成一定厚度电荷层
11、，相当于一个电容器。器。12河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第12页l膜同时兼有电阻和电容复合特征，在直流或极低频率下，细胞膜阻抗膜同时兼有电阻和电容复合特征，在直流或极低频率下，细胞膜阻抗较内外液电阻高得多，电流几乎不能进入胞内空间；而高频电流时，较内外液电阻高得多，电流几乎不能进入胞内空间；而高频电流时，膜阻抗相对很低，细胞内外空间电流分布简单地取决于内外液电阻间膜阻抗相对很低，细胞内外空间电流分布简单地取决于内外液电阻间相对大小。相对大小。13河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第13页3.1.5 生物电阻抗生物电阻抗l在低频电流下，生物结构含有复杂电阻性质。有是
12、普通欧姆电阻，在在低频电流下，生物结构含有复杂电阻性质。有是普通欧姆电阻，在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有呈非线性，其中还有对称一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有呈非线性，其中还有对称性和非对称性。性和非对称性。l生物阻抗和生物机体或组织体积改变相关。生物阻抗和生物机体或组织体积改变相关。14河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第14页3.1.6 中心导体模型中心导体模型rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm 长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远大于细胞长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远大于细胞直径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。直
13、径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。15河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第15页3.1.7 生物组织介电性质生物组织介电性质l电介质在电场中一个主要特征是介质极化现象。电介质在电场中一个主要特征是介质极化现象。l生物组织中含有大量带电荷离子及各种极性分子，外电场会造成生物组织中含有大量带电荷离子及各种极性分子，外电场会造成这些荷电离子和极性分子某种运动，表现出生物组织极化现象。这些荷电离子和极性分子某种运动，表现出生物组织极化现象。l介电常数介电常数 ：表征介质极化程度；：表征介质极化程度；l生物组织介电常数和外场频率相关；生物组织介电常数和外场频率相关；16河北工业大学河北工
14、业大学 生物物理学生物物理学第16页3.2 电力电化作用电力电化作用l3.2.1 细胞电泳细胞电泳l3.2.2 电热作用电热作用l3.2.3 电化作用电化作用17河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第17页3.2.1 细胞电泳细胞电泳l细胞电泳细胞电泳：当细胞膜外表面展现负电荷特征时，在外直流电场作用下，：当细胞膜外表面展现负电荷特征时，在外直流电场作用下，细胞连同其界面吸附层一起向电场正极方向运动，称为细胞电泳。细胞连同其界面吸附层一起向电场正极方向运动，称为细胞电泳。l电渗电渗：细胞悬液中带有正电荷分散介质则向电场负极方向移动，称为：细胞悬液中带有正电荷分散介质则向电场负极方向移
15、动，称为电渗。电渗。l细胞电泳率细胞电泳率：细胞在单位电场强度、单位时间内移动距离。：细胞在单位电场强度、单位时间内移动距离。18河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第18页l当电流经过人体时，电流经过路径如图：当电流经过人体时，电流经过路径如图：3.2.2 电热作用电热作用19河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第19页3.2.3 电化作用电化作用l将不易起化学反应直流电极直接作用于机体时，电极附近将发生将不易起化学反应直流电极直接作用于机体时，电极附近将发生电化反应。电化反应。l在阴极：在阴极：l在阳极：在阳极：20河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第20页
16、3.3 电刺激与组织兴奋性电刺激与组织兴奋性l3.3.1 兴奋性兴奋性l3.3.2 脉冲刺激与生物效应脉冲刺激与生物效应l3.3.3 SMC刺激与生物效应刺激与生物效应l3.3.4 电致生长与修复电致生长与修复21河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第21页3.3.1 兴奋性兴奋性l按生理学定义：按生理学定义：l组织兴奋性组织兴奋性l阴极兴奋性阴极兴奋性11，兴奋性升高；，兴奋性升高；l阳极兴奋性阳极兴奋性1,1,兴奋性下降；兴奋性下降；22河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第22页 细胞或机体内外环境任何改变，可能引发它们反应，从而组成刺细胞或机体内外环境任何改变，可能
17、引发它们反应，从而组成刺激。激。刺激原因有：刺激原因有：物理（力、热、声、光、电、辐射），物理（力、热、声、光、电、辐射），化学（酸、碱、盐、离子）；化学（酸、碱、盐、离子）；生物（色素分布、血流量、含水量、激素）；生物（色素分布、血流量、含水量、激素）；3.3.2 脉冲刺激与生物效应脉冲刺激与生物效应23河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第23页用尖脉冲刺激肌肉，刺激响应与脉冲用尖脉冲刺激肌肉，刺激响应与脉冲频率相关：频率相关：肌肉（肌肉（M）对对刺激刺激频频率（率（S）响）响应应24河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第24页3.3.3 SMC刺激与生物效应刺激与生物
18、效应l用正弦低频电流（用正弦低频电流（150Hz1000Hz1000Hz），得），得到正弦调制交流电流（到正弦调制交流电流（SMCSMC），即是），即是脉冲电流脉冲电流，其含有低频和中，其含有低频和中频优点，是经常采取一个刺激源。频优点，是经常采取一个刺激源。lSMCSMC作用，可加强细胞信使作用，可加强细胞信使RNARNA合成，提升相关肌肉细胞机能，预合成，提升相关肌肉细胞机能，预防肌萎缩；防肌萎缩；lSMCSMC含有显著镇痛作用，能有效治疗肋间神经痛等；含有显著镇痛作用，能有效治疗肋间神经痛等；lSMCSMC能改进血循环和营养吸收能力，治疗血循环紊乱和营养失衡。能改进血循环和营养吸收能力，
19、治疗血循环紊乱和营养失衡。25河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第25页3.3.4 电致生长与修复电致生长与修复l用小直流电治疗创伤和溃疡，能加速伤口愈合和修复；用小直流电治疗创伤和溃疡，能加速伤口愈合和修复；l直流电还可抑制细菌生长；直流电还可抑制细菌生长；26河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第26页3.4 静电生物效应静电生物效应l静电生物效应是静电场与生物相互作用，引发刺激或抑制生物生静电生物效应是静电场与生物相互作用，引发刺激或抑制生物生长发育或致死效应。长发育或致死效应。如如(1)(1)高压静电场对离体培养肿瘤细胞及小鼠高压静电场对离体培养肿瘤细胞及小鼠S-
20、180S-180细胞生长有细胞生长有 抑制作用抑制作用l (2)(2)静电场能促进萝卜对矿质元素吸收静电场能促进萝卜对矿质元素吸收l （3 3）电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响。）电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响。l （4 4）静电场对人体生理有显著影响。）静电场对人体生理有显著影响。27河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第27页3.5 生物磁现象生物磁现象l3.5.1 生物材料磁性生物材料磁性l3.5.2 人体磁场人体磁场28河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第28页l狭义生物磁学狭义生物磁学:指研究不一样层次生物材料所产生磁场；指研究不一样层次生物材料所
21、产生磁场；l广义生物磁学广义生物磁学：除狭义生物磁学内容外，还包含磁生物学，即研究外：除狭义生物磁学内容外，还包含磁生物学，即研究外界磁场对生物机体在不一样层次作用所产生生物效应及其对应作用机界磁场对生物机体在不一样层次作用所产生生物效应及其对应作用机理；理；l物质磁性能够经过在外加磁场作用下磁化过程来认识，也能够经过测物质磁性能够经过在外加磁场作用下磁化过程来认识，也能够经过测量磁性仪器来探测。量磁性仪器来探测。l对生物大分子广泛研究得知，大多数生物大分子是各相异性反磁性，对生物大分子广泛研究得知，大多数生物大分子是各相异性反磁性，少数为顺磁性，极少数呈铁磁性；少数为顺磁性，极少数呈铁磁性；
22、3.5.1 生物材料磁性生物材料磁性29河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第29页3.5.2 人体磁场人体磁场l正常人体组织是非磁性，磁化率小，没有剩下磁矩。正常人体组织是非磁性，磁化率小，没有剩下磁矩。l人体磁性起源人体磁性起源:（1 1）生物电流产生磁场；）生物电流产生磁场；（2 2）由生物磁性材料产生感应磁场；）由生物磁性材料产生感应磁场；（3 3）侵入人体内强磁性物质产生剩下磁场）侵入人体内强磁性物质产生剩下磁场30河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第30页3.6 磁场对生物水和细胞作用磁场对生物水和细胞作用l3.6.1 磁场与生物体相互作用因子磁场与生物体相互
23、作用因子l3.6.2 磁场对生物体内水作用磁场对生物体内水作用l3.6.3 磁场对组织细胞作用磁场对组织细胞作用31河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第31页3.6.1 磁场与生物体相互作用因子磁场与生物体相互作用因子l磁场作用于生物体产生效应取决于磁场和生物体一些相互作用因子。磁场作用于生物体产生效应取决于磁场和生物体一些相互作用因子。l对生物效应有影响磁场因子有对生物效应有影响磁场因子有:磁场类型、磁场梯度、磁场方向、作磁场类型、磁场梯度、磁场方向、作用部位与范围、作用时间等；用部位与范围、作用时间等；l影响磁场作用生物原因有：生物材料、生物体磁性、组成、部位、种影响磁场作用生
24、物原因有：生物材料、生物体磁性、组成、部位、种属、机能状态及敏感性等。属、机能状态及敏感性等。l依据磁场强度，将磁场生物效应分为：强磁场效应，地磁场效应和极依据磁场强度，将磁场生物效应分为：强磁场效应，地磁场效应和极弱磁场效应；弱磁场效应；l10-2T10-2T属于强磁场；属于强磁场；l10-7T10-7T属于极弱磁场或近零磁场；属于极弱磁场或近零磁场；32河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第32页3.6.2 磁场对生物体内水作用磁场对生物体内水作用l经磁场处理水称为经磁场处理水称为磁水磁水。l外加磁场对水作用，可使水比重、沸点、表面张力等特征发生改变。外加磁场对水作用，可使水比重
25、、沸点、表面张力等特征发生改变。l磁场能使水聚体偶极矩取向发生改变，改变原子核外电子激发程度，磁场能使水聚体偶极矩取向发生改变，改变原子核外电子激发程度，实现共振。实现共振。33河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第33页3.6.3 磁场对组织细胞作用磁场对组织细胞作用l磁场对生物组织细胞影响是多种多样。l在较高感生电势作用下，细胞可能被击穿，或被感生电流烧坏，或被磁矩扭曲，甚至引起细胞死亡；l其次，磁场作用亦可促进组织细胞带电微粒运动，调整生物分子液晶结构，改变胞膜通透性，促进代谢过程，加强组织细胞生长；34河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第34页3.7 磁场生物效应
26、磁场生物效应l3.7.1 磁致遗传效应磁致遗传效应l3.7.2 磁致生长（死亡）效应磁致生长（死亡）效应l3.7.3 磁致生理生化效应磁致生理生化效应l3.7.4 磁致放大效应磁致放大效应l3.7.5 产生磁致生物效应条件产生磁致生物效应条件35河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第35页l磁场处理造成生物后代发生遗传改变现象称为磁场处理造成生物后代发生遗传改变现象称为磁生物遗传效应，磁生物遗传效应，或称磁致遗传效应。或称磁致遗传效应。3.7.1 磁致遗传效应磁致遗传效应曲线表明：果蝇最初几代发育期比未处理对照组平均发育期有成倍增加，曲线表明：果蝇最初几代发育期比未处理对照组平均发育
27、期有成倍增加，而在以后各代中，处理组发育期逐步缩短。而在以后各代中，处理组发育期逐步缩短。a a 试验观察结果；试验观察结果；b b 对照组平均发育期对照组平均发育期36河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第36页3.7.2 磁致生长（死亡）效应磁致生长（死亡）效应l磁场对生物生长、发育、衰老和死亡等生命过程均能产生影响；磁场对生物生长、发育、衰老和死亡等生命过程均能产生影响；比如比如 ：1 1）海胆卵置于）海胆卵置于10-14T10-14T超导体强磁场中处理超导体强磁场中处理2 2小时，其早期分裂显著延迟；小时，其早期分裂显著延迟；2 2）强度高于）强度高于1.4T1.4T恒定均匀
28、磁场能抑制细菌生长；恒定均匀磁场能抑制细菌生长；3 3）小白鼠在约）小白鼠在约1010-7-7T T磁场中养一年后，寿命缩短磁场中养一年后，寿命缩短6 6个月，并丧失生育力；个月，并丧失生育力；37河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第37页3.7.3 磁致生理生化效应磁致生理生化效应l磁场作用于生物机体，可使机体一些功效发生改变。磁场作用于生物机体，可使机体一些功效发生改变。比如：磁场能够改变果蝇趋光性和活动性；能够提升或抑制一些生物大比如：磁场能够改变果蝇趋光性和活动性；能够提升或抑制一些生物大分子活性；分子活性；l磁场对动物和人体作用影响原因很复杂，含有显著时间积累性和滞后磁场
29、对动物和人体作用影响原因很复杂，含有显著时间积累性和滞后性。性。38河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第38页3.7.4 磁致放大效应磁致放大效应l在许多观察到磁场生物效应中，外加磁场能量经常是很小，但产生生在许多观察到磁场生物效应中，外加磁场能量经常是很小，但产生生物效应却往往较大，从能量观点考虑，较弱磁场只是起激发作用，生物效应却往往较大，从能量观点考虑，较弱磁场只是起激发作用，生物体起到能量放大作用，相当于一个线性放大器，这种现象称为物体起到能量放大作用，相当于一个线性放大器，这种现象称为磁致磁致生物放大效应生物放大效应。39河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第39页3.7.5 产生磁致生物效应条件产生磁致生物效应条件l生物磁场阈值生物磁场阈值l作用时间作用时间l场型和频率场型和频率40河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第40页41河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学第41页