关于生物电介绍

[拼音]：shengwudian

[外文]：bioelectricity

主要是指生物体中所产生的电现象，也包括外界电因素对生命活动的作用。在生物体中广泛存在着各种电现象，从单个细胞直到人和其他高等动物的神经、肌肉、骨骼以及重要器官都发现有电压和电流的产生及传播等生物电活动。许多生物组织的功能，例如神经中信息的传递和肌肉的收缩，主要是由于电的活动。一般动物组织中的电活动比较微弱，能被测出的电压只有数十微伏至数十毫伏。但是某些鱼类可产生很高的电压，如电鳗能产生的电压高达600～1000V（伏特）， 可用来击伤捕食对象，但这类动物为数不多。能引起生物反应的电流也在微安至毫安的数量级，如果把数百伏以上的电压或安培级的电流引入生物体将会引起生物组织不可逆的损害。这种现象就是电击或触电。

细胞的电活动

生物电的产生和活动，主要发生在细胞水平上。细胞是由蛋白质和类脂所组成的细胞膜包容着细胞内液和其他细胞构成，而整个活的细胞又浸在细胞外液之中。外液和内液之间通过细胞膜不断进行物质的输运，特别是液体中的各种离子进行有选择性的主动交换。在静息状态下，细胞膜对各种离子的通透性不同，因此即使在中性溶液中，膜内外也存在着一个几十毫伏的外正内负的极化电位差，这种电位差称作静息电位。当细胞受到超过一定阈值的外界因素刺激时，膜对离子的输运机制发生突然变化，使得跨膜电位反向，变成外负内正，称为膜的去极化。这个电位的变化可达百余毫伏，称作动作电位。这就是细胞的电兴奋。细胞的电兴奋有几个特点：

（1）按全或无定律，即或者是静息电位，或者是动作电位，没有两者之间的中间状态。

（2）细胞的电兴奋可从一个区域开始，缓慢地向四周传播。

（3）这种细胞的电兴奋在一段时间（约几十毫秒）后可自动回复到静止状态，称作膜的复极化。研究细胞电活动的学科称作电生理学，它是研究一切生物电现象的基础。

神经细胞有一根由细胞体内伸出的细管，称作轴突，也称为神经纤维。轴突由细胞膜包围着细胞内液构成。神经细胞膜上的兴奋区（即外负内正的去极化区）将从近端向轴突的远端传播。由于轴突的细胞膜有可通过离子的电导，也有膜两侧之间的电容，类似一根电缆。因此，A.霍奇金和A.赫胥黎把这个现象类比于脉冲在长传输线上的传输，得出了和电报方程相似的方程式，从而定量地描述了神经兴奋传播所具有的电脉冲传输的性质，被称为神经传导的电缆理论。在神经纤维中电兴奋的传播速度因轴突的直径（由几微米至几十微米）而异，较细的轴突传播电兴奋的速度较慢（约在几米每秒的数量级）。从空间来看，生物体是一个容积导体。兴奋的传播可以看做是一对电偶极子沿着轴突向前移动。这个模型是在体表上能测量到生物电现象的理论基础。

神经细胞之间信息的传递是：电兴奋由轴突端点上的细胞膜，经过间隙传到另一细胞的膜上。这两层细胞膜之间有特殊的化学物质来传递细胞的电兴奋，称作神经递质。

由中枢神经传来的电活动经过神经-肌肉接头 (即终极)传到由肌肉细胞所组成的肌纤维，引起肌肉的收缩。肌细胞也是可兴奋细胞，在肌肉收缩的过程中也伴随着细胞膜上的电活动。由于细胞兴奋的电活动是脉冲性质的，所以可测量到的肌肉电活动是一串脉冲，脉冲的频率愈高时，肌肉收缩愈强烈。中枢神经传来的电刺激也可以引起唾液腺和各种内分泌腺等腺体的分泌以及其他生理功能。

生物电的研究成果已被广泛地应用到临床医学，其中最常见的是心电图。心脏在收缩和舒张时，可以看成是许多电偶极子在排列方向上和时间上的同步活动。这样就可以从人体的体表上测得1～2mV的电位变化，它是人体能产生的最强的电信号。心电信号依时间变化的记录就是心电图。从图形上可以诊断多种心脏的疾病。如在时间和空间上多方位地记录心电信号，再经过计算机综合，还可以确定病患的部位。其他已经普遍使用的有关诊断技术有脑电图、肌电图、眼电图（视网膜电图）、耳蜗电图、胃电图等，不过这些器官的电活动在体表上所能测得的电位变化都比心电图要小得多，只有微伏到几十微伏数量级。而且常易被种种噪声所掩盖，所以要用灵敏的检测仪器以及先进的信号处理技术来提取有用的信息。

由于动作电位在人体容积导体中产生电流的同时也产生相应的磁场，因此可在体外检测磁场的微弱变化。心磁图、脑磁图等技术正在发展中（见生物磁学）。

利用生物电现象还可以治疗某些神经和肌肉的疾病。如心脏中神经和肌肉的传导有阻碍时，可以用电脉冲发生器来直接刺激心肌以代替心脏原来的机能，这就是心脏起搏器。又如，用可控的脉冲刺激可以控制膀胱排尿、瘫痪肢体的运动等。甚至可以用电脉冲来抑制疼痛。这些应用都基于可兴奋细胞的电活动原理。

电鱼的产电器官也是由细胞组成的，这些细胞的电活动是由于膜电位变化(150mV) 引起的。不过产电器官的细胞是扁平状的，而且刺激它的信号仅到达细胞一个面的膜上，所以去极化仅发生在这个面上，而另一面并不兴奋。产电器官是由许多片同样的细胞叠成，它们可以在同一时间上兴奋，其结构类似片状的串联叠层电池。由于叠层的细胞数量很大，因而产电器官所产生的放电电压可以高达600V 至1000V。这种细胞堆也可以有很多组并联以供应高达1A的放电电流。

感受器的电活动

有机体都有感知四周环境的能力，由一类称作感受器的神经细胞来感知。这种感受器细胞分布于体表或需要感知的部位。各种感受器细胞的功能无例外的都是把感受的结果转化成电脉冲，由轴突（上行神经纤维）传到中枢神经系统。在神经纤维中传播的是编码形式的脉冲串。一般脉冲频率愈高代表信号愈强。感受器的灵敏度都有自适应的性能，所以能有极大的动态范围，可以适应高达万倍的信号变化。

在较低等的动物中发现有能直接感知电磁场的感受器。某些鱼类可以感知水中微弱到 1.0×10-6V/m的电场。并据此确定回游的路线和方向。有些鱼类可以自己产生电流场并感知这个场所受的外界影响，以此来导航。某些鸟类有对地磁场的灵敏感受器并以此来作远程导航。据某些研究，有些品种的昆虫也能发出并接受电信号来寻找同类和确定环境信息。

生物体的压电效应

在生物体中除了以细胞膜为主的电活动外，在一些有d性的物质中还存在着另一种电的活动，它们的性质是压电效应或者是驻极体的效应。这种现象主要在骨骼、牙齿、软骨、肌腱、血管壁甚至在由大核酸分子构成的生物膜上观察到。固体或粘滞性物质具有粘d性体的性质。研究这种物质的应力和应变关系，称为流变学。在这方面近年来研究发现了许多有关的电现象，形成了一门电生物流变学。其中最突出的是骨和软骨的压电效应。它的压电系数相当大，可达0.2×10-12C/N。应力和电极化之间有很好的线性关系且方向一致。有些研究还观察到在拉伸和压缩的应力之下，在每一小的骨单元(直径约200μm)表面能出现 ±2V的电压，并且也能出现逆压电效应。有人试用鲸鱼的软骨做成一个可以实用的唱片拾音器，可见压电效应之强和稳定性之好。

电场对生物生长的影响

已观察到微小的电流（例如1μA）长期地流过骨骼可以刺激骨的生长，甚至有用微小电流刺激可引起某些低等动物丧失肌体的再生能力的报道。也有实验证明用高压电系数的物体或驻极体埋藏于骨骼附近可以有效地刺激骨的新生。对这些现象的研究虽然刚开始，却已经在医学临床上有了实际应用，如用电流刺激器来加速骨折的愈合和治疗骨不连。进一步的研究认为骨的压电现象和电流刺激骨的生长这两个因素的结合可以完满地解释为什么动物的骨骼生长正是在骨头承受应力最强的部位，也能解释缺少运动和失重状态引起骨退化的原因。

在血管和肠管内皮层上膜的压电现象所引起的表面电位，会影响管道中血液的流速分布，并会影响某些物质如血球和脂质等物质在血管表面附着和沉积。进一步的研究有可能成为解释血栓形成或动脉粥样硬化的成因，从而可能开创治疗这些疾病的新途径。

参考文章

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