生物磁学

[拼音]:shengwu cixue

[外文]:biomagnetism

研究生命物质的磁性、生物磁现象和生命活动过程中结构功能的关系以及外磁场对生物体磁影响的一门生物学和磁学相互渗透的边缘学科。

发展简史

生物磁学现象和效应的观察及应用开始很早。中国西汉的《史记》(公元前90年)便有利用磁石治病的记载,其后历代的许多医药学著作中都有磁石治疗多种疾病的描述,明代著名药物学家李时珍在《本草纲目》(1578)列举了磁石在医药上的10馀种应用,如治肾虚耳聋、眼花内障、小儿惊痫、大肠脱肛、金创血出等。在西方,古希腊医生C.H.加伦曾利用磁石治疗腹泻,11世纪阿拉伯名医阿维森纳曾利用磁石治疗脾脏病、肝病、水肿和秃头等。I.艾丹在所著《电和磁现象的相互联络》(1843)一书中综述了磁场对动植物和人体的影响以及在临床上的应用。19世纪末,M.A.达松伐耳发现了人眼磁闪光效应。近年来,由于现代物理学、化学、电子学等方法在生物磁学中的应用,测量了人体和生物体的极微弱磁场,发展了人体和生物体的核磁共振成像技术,发现了一些生物体内的微量强磁物质,研究了生物磁性与生物结构和功能的关系,极大地丰富了现代生物磁学的内容和应用。

生物磁现象

生物磁场一般可能有两种来源:一种是由生物体中的电子传递和离子转移等过程引起的生物电流产生的电致内源生物磁场;另一种是由于生物体内的强磁性物质(如Fe3O4微粒,图1)磁化后产生的磁致内源(生物体内原有的)或外源(从生物体外进入的)生物磁场。生物磁场的强度很微弱,例如人体心脏活动产生的心磁场约10-11~10-10特(10-7~10-6高斯),人体脑神经活动产生的脑(神经)磁场约10-13~10-12特(10-9~10-8高斯),人体肺部吸入强磁性物质磁化后可产生约10-9~10-8特(10-5~10-4高斯)的肺磁场。 测量这些微弱的生物磁场需要采用高灵敏度的磁强计〔如超导量子干涉式(SQUID)磁强计〕和高效能的磁遮蔽室,如采用高灵敏度的磁场梯度计则可以不用磁遮蔽室。生物磁场随时间的变化称为生物磁图(图2上),它同记录生物电场随时间变化的生物电图(图 2下)相类似,都能提供关于生物体的生理和病理状态的重要资讯。然而与生物电图相比生物磁图具有一些独特的优点:磁探头不与生物体接触,可避免接触(如电极)干扰;可以测量恒定的和交变的生物磁场以及不同方向的生物磁场分量;可以测量生物磁场的三维空间分布;在某些情况下生物磁图具有较高的解析度。因此,生物磁图可能在基础研究和临床诊断上得到应用。

在生物磁场的研究中,检测生物活体内主要由生物大分子活动期间生物电的流动所造成的磁场,受到生物学家的重视,因为这些磁场正是大分子结构和功能变化的真实反映,因此它提供了有关的重要资讯。例如,利用电子自旋共振可以研究光合作用中产生的自由基数量与光照强度和频率的关系,探讨光合作用的机制,研究含顺磁离子(如含Fe离子的血红蛋白)或加入自旋标记(含自由基的分子)的生物分子的某些微观结构;利用核磁共振方法可以研究含核磁矩同位素 (如1H,13C,14N,15N,17O,31P和33S)的生物分子的微观结构和动态过程,证认生物大分子中的各种基团,利用核磁共振成像技术还可以显示生物组织甚至生物活体的某一截面的元素或状态分布(图3)。目前已能显示1H的元素分布和状态变化;利用穆斯堡尔效应(见穆斯堡尔谱学)方法可以研究含有穆斯堡尔同位素(如57Fe)的生物组织的某些微观结构和电子状态,研究某些含Fe蛋白在氧化和还原状态的电子价态变化,可能诊断一些与含Fe有关的疾病(如含铁血黄素沉著病,地中海型贫血病);利用磁化率的测量可以研究生物组织中顺磁离子(如Fe离子)的能级引数,研究正常组织与病变组织的差异等等。

磁(场)生物效应

不同型别、强度和分布的外磁场对于生物体的影响不同。人们注意到迁徙鸟类和回归的鸽子能清楚地找出它们周围的路径,近来很多研究有力地证明鸟类能够很好地利用地磁。又例如,把果蝇饲养在均匀恒定磁场中,在磁场为 0.01~0.15特(100~1500高斯)时,果蝇形态并无明显变化, 但当把磁场增加到0.3~0.4特时,形态畸变就显著增大;在黑暗或闭眼状态中由磁场引起光感觉的磁闪光效应只发生在磁场变化或交变磁场情况下,并且在磁场变化频率为20~30赫兹时,磁闪光效应最为显著;把体外培养的S-37肿瘤细胞在不同强度的均匀恒定磁场中培养,磁场约0.1~0.2特时,未观察到可察觉的变化,磁场增加到约0.37特时,会使细胞中的脱氧核糖核酸(DNA)合成减少,磁场再增加到0.44~0.80特时,出现细胞退化变性现象。

生物磁学的应用

生物磁学已在农业、医药、环境保护和生物工程等方面得到较广泛的应用:在农业上,利用磁场处理一些作物的种子和幼苗,施加少量的磁性肥料,或者利用经磁场处理的水(简称磁水或磁化水)浸种、育秧或灌溉,可以提高种子发芽率,促进作物长势,收到增产效果;利用磁水养鱼,可使鱼病减少,促进鱼的发育生长。在医药上,磁石(Fe3O4)已是多种中药的重要组分;磁场治疗(磁疗)对于急性扭挫伤、腰肌劳损、神经性头痛等疾病都有较好的疗效;磁场镇痛(简称磁麻)方法已开始在拔牙、切除粉瘤和阑尾以及结紮输卵管等手术中试验或应用;利用磁场作用原理已研制出血流计、磁药针、无触点心肌或神经刺激器、血球分离器和磁假肢等;磁水已在治疗结石病上得到较好疗效。在环境保护中,利用高梯度磁分离和加磁性种子的磁分离方法,可以除去煤中硫化物,清除污水中的细菌、病毒和有害残留物(如汞等)。在生物工程中,长期的观测和试验表明,鸽子的认家(导航)与地磁场有关;一些细菌在水中沿地磁场游动,表现出“向磁性”;磁场能引起果蝇遗传上的变异,这些对磁仿生工程或遗传工程提供了有意义的线索。

关于生物磁现象和磁(场)生物效应的作用机理,是一个十分复杂而没有很好解决的问题。它既包括物理学范畴的内容,又涉及生命物质的结构和功能,尚有大量问题等待人们去解决。

参考书目

李国栋编著:《生物磁学及其应用》,科学出版社,北京,1983。

M. F. Barnothy, ed.,Biological Effects of Magnetic Fields,Vol.1,2, Plenum Press, New York, London, 1964,1969.

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