2021探究生物体内的电磁性质2

探究生物体内的电磁性质2探究生物体内的电磁性质存在及作用2021级少年班PB10000803 杨林摘要：目的：探究生物体内的电磁性质及其产生作用。方法：观察生物体内电性、磁性得出结果。结论：生物体内电场和磁场会对生物组织结构的形成和生命活动产生影响。关键词：生物电效应、生物磁效应引言：世界上任何物体都有其电磁性质，生物体也不例外。而且生物体内的电磁性质对其生命活动存在重要的影响。本文旨在通过对生物体内电性、磁性的观察，来分析生物体内的电磁性质对其进行生命活动的影响。正文：一、生物体内电性（产生原因及作用）：1.生物体内存在电荷，其主要存在形式为生物体内的离子、离子基团和电偶极子。离子基团、电偶极子主要由氨基酸在水中离解产生或存在于DNA的碱基和磷酸酯中，此外电偶极子还可在生物水中找到，而离子主要是由组织液中的无机离子组成。2.有机大分子的偶极矩：1.蛋白质：氨基酸靠肽键连接聚合成多肽链，而由于氨基中N元素核外电子排布特性使得N原子中心不重合，始终带有一个正电荷使得肽键产生极性，因此蛋白质具有偶极矩，=3.8D。并由带电原子间的相互作用维持其空间构型2 .DNA ：DNA由核苷酸分子构成，核苷酸分子两端的基团都是极化的，具有一定的电偶极矩。DNA中的每个碱基都具有一定的电偶极矩。3.生物水的电性质：水分子有很强的偶极性，能与其它离子或生物大分子以氢键连接并决定其构型与功能，水=1.84D。4.细胞电活动：生物电是以细胞为单位产生的，细胞电活动的基础是组织液中的离子。1.细胞的静息电位（RP）：细胞膜内外存在电位差称为膜电位，细胞膜主要结构为磷脂双分子层，磷脂分子拥有一个亲水的磷酸头和一个疏水的甘油酯尾。因此细胞膜实质上是一个半透膜，并对K+离子通透。因此，细胞的静息电位是由K+离子的扩散引起，即为其的平衡电位。根据能斯特方程：u=u2-u1=2.3lg（K为波尔兹曼常数，Z为离子价数）可以求得膜电位。2.细胞的动作电位（AP）：细胞受到刺激时，在RP基础上产生一个短暂、可逆、沿细胞膜扩布的电位，原因为刺激时膜对离子的通透性（电导）改变。3.跨膜电位差形成的原因：a.膜内外各种离子分布不均匀.b.膜对各种离子具有不同的通透性.c.离子间的静电作用。4.引例：1.心电的产生：a.电偶极子的形成：P=ql 一个偶极子在体表的电位：部分心肌细胞偶极子的电位为：V=k=k 2. 心电图：人体组织是容积导体，心肌细胞兴奋时产生心电场，使人体体表各点均 具有一定的电位用心电图机记录下的随心动周期变化的电位差波形即为心电图。 大量细胞组成的生物组织为生物电信号源，在体表监测电位的变化可以反应体 内的生理功能。心电导联： （单极导联法）确定体表零电势点 23cos dp dp rdV k k r r?= 5.细胞的电参量：C=; R=; 6.引例：人体组织的电性质 二.生物体内的磁效应：1.生物磁场：任何物质都具有磁性，生物体也不例外。生物体内磁场称为生物磁场2. 生物磁场产生原因：1）.体内生物电荷的运动产生磁场。人体神经器官和组织的活动往伴随着微弱的生物电流。运动的电荷产生磁场，凡是能产生生物电流的部位必定会同时产生生物磁场。例如生物体内氧化和还原作用引起的电子迁移，神经电冲动的传递，离子的定向扩散等都会产生电流和相伴随的磁场。一般说来，这种磁场非常微弱。人体心脏的生物电产生的心磁场为1011010T ，脑神经活动产生的脑磁场为10131012T ，肌肉伸缩产生的肌磁场为10121011T 。正是因为磁场微弱，对生物磁场的测量和研究直到六、七十年代才得到迅速发展。 2）.材料产生感应场。组成活体的物质具有微弱的磁性，它们在受到地磁场或外界磁场的作用下就会产生出微弱的磁矩，因而形成了感应场。例如人体中肝、脾 等部位所呈现出来的磁场即为感应场3）.体内强磁性物质产生磁场。在少数生物体内，含有微量的强磁 性物质（主要是Fe 3O 4），这种物质能使生物体对磁场有敏锐的反应。例如有一种磁性细菌，体内含有以Fe 3O 4颗粒为主的磁性小体。因此，0.510-4T 左右 的地磁场就能左右这种细菌的行为。另外，在蜜蜂、鸽子等生物体内也含有微 量的强磁性物质，这种物质能帮助它们辨别方向，返回栖留处 3. 生物磁场的作用：1） 磁场影响电子和离子的运动：生物体中的氧化和还原反应、神经冲动的传递00m mtR C r mU U e -=131422.51010r m cm -?和生物电流的主要载体都与电子或离子的运动和传递有关，而磁场会对运动电荷产生洛伦兹力，影响电荷运动，由此影响与电荷运动相关的生命现象。 2） 磁场影响自由基和含磁性原子的蛋白质和酶的活动：生物体中含有电子未配对的自由基，有些蛋白质和酶内都含有电子未充满的磁性原子。它们都具有顺磁性。一方面这些物质在磁场中受到磁力或磁力矩作用；另一方面，当恒定磁场和高频磁场同时作用时，一定条件下会产生磁共振。这些磁力、磁力矩和磁共振既可引起多种生物磁效应，是研究生物系统的一类重要方法。 3） 磁场影响生物膜渗透和生物代谢：生物膜是由蛋白质和类脂等组成的双层结构物，它能通过渗透作用有选择性地进行生物膜两边的物质交换。外加磁场能改变交换物质中带电离子，如Na +、K 、Cl 等的受力作用，从而影响生物膜的渗透能力，对生物体内生物化学反应速度和新陈代谢均产生了影响。 4） 磁场影响生物发育和遗传：生物体中含有结构复杂的大分子，这些大分子具有稳定的基本结构和较不稳定的高级结构。例如，含有生物遗传密码信息的DNA 便含有高键能的共价键和较低能的氢键。前者结构稳定，保持生物的遗传特性；后者键能较低，易受环境影响，表现为遗传的变异。外加磁场能影响DNA 中的氢键部分，由此产生一些低等生物如果蝇等的遗传变异效应。4.生物磁场作用的物理原因：1. 磁场的力作用：对于磁化率为和质量为m 的物体，在均匀磁场B 中，会受到磁转矩T m 的作用（u 0为真空磁导率）：T m =m B 2/u 0在具有磁场梯度dB/dx 的不均匀磁场B 中，会受到磁力F m 的作用: F m m B （dB/dx ）/u 0对于抗磁性物质，为负值；顺磁性物质为正值。生物体内磁性物质值一般较小，大都小于106（抗磁物质）和105（顺磁物质）2. 磁场电效应：磁场B 对带电Ze 并以速度V 运动的粒子产生洛伦兹力F L ：F L =Ze V B另外，厚度为d 的物体在互相垂直的磁场B 和电流I 的同时作用下产生电势E 的Hall 效应：E H =R H IB/d其中R H 为Hall 系数。它们是生物体中运动的带电粒子和一些生物测量仪器所遵循的磁学定律 3. 电磁感应：在面积为A 的电回路中发生磁通密度随时间变化dB/dt 时，由于电磁感应，在此回路中产生电动势 E ： E=-(dB/dt)A这表明随时间变化的磁场与恒定磁场具有不同效应 讨论:生物电是以细胞为单位产生的，细胞电活动的基础是组织液中的离子。如人体组织是容积导体，组织细胞兴奋时产生电场，使人体体表各点均具有一定的电位，用机器可以记录下周期变化的电位差波形。所以大量细胞组成的生物组织为生物电信号源，在体表监测电位的变化可以反应体内的生理功能。生物磁场影响生物体内电子和离子的运动，因此生物磁场影响与电荷运动相关的生命现象；磁场影响自由基和含磁性原子的蛋白质和酶的活动，一定条件下会产生磁共振。这些磁力、磁力矩和磁共振既可引起多种生物磁效应，是研究生物系统的一类重要方法；磁场影响生物膜渗透和生物代谢，对生物体内生物化学反应速度和新陈代谢均产生了影响；磁场影响生物发育和遗传，外加磁场能影响DNA中的氢键部分，由此产生一些低等生物如果蝇等的遗传变异效应。