生物物理学：5.第五章 生物电磁学
基本概念—生物电磁学和电磁生物学
生物电磁学是研究生物各层次的物质的电磁特性、生物电磁特性的测量和生物电磁特性的应用等。从物理学角度分析，生物体内存在着不同层次的电磁特性，这是生物体内电磁场的来源，也是和外界电磁场相互作用的位点。电磁生物学主要是研究电磁波（场）的生物学效应，也就是说生物体在外界电磁波（场）中，对不同频率和不同强度的电磁波（场），生物体会产生什么样的效应。通常，可将其划分为热效应、非热效应和累积效应。电磁辐射已经成为一种环境污染，联合国人类环境会议已经将电磁辐射列为必须控制的社会公害之一。电磁辐射的频谱很宽（0~ HZ），不同频率电磁辐射的生物学效应也是不同的，通常所说的电磁辐射是频率在300GHZ一下，其中和人类健康密切相关的是工频辐射和射频辐射，目前人们最关注的是高压线和变电站周围的电磁场对人体健康影响、手机和基站的电磁辐射对健康的影响、各种电磁治疗疾病的方法是否有效等。
总的来说，生物电磁以及电磁生物主要是研究生命活动本身所产生的电磁场以及外加电磁场对生物体的作用，是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统各不同层次相互作用规律和应用的交叉学科。对生物自身电磁信息的研究，其主要是通过体表电磁信息的检测来反推生物体内的神经活动。比如说可以依靠头皮电信号和头外磁场分布，可以反推脑内相应的活动神经元的位置及活动强度等。对于外加电磁场对生物体的作用，一个根本问题是生物体的吸收的电磁剂量问题。而从电学角度看，生命体是由无数细胞构成的一个复杂容积导体，对外界高频电磁场有一定的屏蔽作用。因此外加电磁场对生物体内的组织和器官的影过计算外加电磁场在生物体内的分布来推测体内电磁信息。而不管从宏观还是微观上分析，这些都是以研究生物各层次物质的电磁特性为基础的。
概述
电磁场和生物的关系
电磁场是相互依存的电场和磁场的总称，电场随时间变化产生磁场，磁场随时间变化产生电场，形成电磁场。电磁场与生物组织和生命过程存在着紧密的关系。在1953年，美国芝加哥大学ler等在实验室模拟原始大气在雷电作用下可能发生的现象，结果由无机物产生了氨基酸，这些氨基酸是构成生命的基本单位，是生命的起源。此外，所有地球上的生物都生活在地球磁场环境和电磁辐射（雷电、宇宙射线）中，地磁环境存在于生命之前，地球生物在地磁环境中萌生、演化和存在。因此生命和电磁场有着千丝万缕的关系。目前已经证实一些鸟类和鱼类是靠电磁场来辨别方向的，更特别的是存在一种趋磁细菌，其体内含有排列整齐的磁小体，这些磁小体能够使其沿地磁场方向泳动。
生物电磁学中的作用机理研究
生物电磁学中的作用机理研究生物电磁学是一门研究电磁场对生物体的影响及其作用机理的学科。
近年来，随着电磁场技术的不断发展和应用，生物电磁学也逐渐成为了一个热门领域。
本文将从生物电磁学的概念入手，详细探讨电磁场对生物体的作用机理。
一、生物电磁学的概念生物电磁学是研究电磁场能对生物体产生哪些影响以及作用机理的一门学科。
电磁场是由电荷或电流产生的具有能量的物理场。
生物体中存在着多种电磁现象，如心电图、脑电图和肌电图等。
电磁场既可以对生物体产生负面影响，也可以产生正面影响。
因此，研究生物电磁学的目的在于了解电磁场对生物体的影响，从而利用电磁场进行治疗和保健。
二、电磁场对生物体产生的影响电磁场对生物体的影响与电磁场的频率、强度和时间等因素有关。
低频电磁场（低于100kHz）对生物体的影响主要是诱导电流，而高频电磁场（高于100kHz）则会产生热效应。
电磁场的强度越大，对生物体的影响也越大。
电磁场对生物体的影响可以表现在以下几个方面：1.电生理效应电磁场能够影响生物体的细胞膜和组织的电活动。
例如，电磁场能够影响心肌细胞的动作电位和心电图，进而影响心脏的收缩和舒张。
2.代谢效应电磁场能够影响生物体的能量代谢。
例如，电磁场能够影响细胞内的ATP合成和糖代谢，进而影响细胞的生长和分化。
3.免疫效应电磁场能够影响生物体的免疫系统。
例如，电磁场能够影响免疫细胞的分化和激活，进而影响生物体的免疫功能。
4.神经效应电磁场能够影响神经系统的功能。
例如，电磁场能够影响神经元之间的信号传递和突触可塑性，进而影响生物体的认知和行为等。
三、电磁场对生物体的作用机理电磁场对生物体的作用机理相对复杂，目前尚未完全清楚。
但研究表明，电磁场对生物体的影响与以下几个方面的机理有关：1.电场作用电磁场能够引起生物体内部的电流产生，从而对细胞膜和细胞内的离子分布产生影响。
电磁场还能改变细胞内外的电位差，进而影响细胞的代谢和信号传递等。
2.热效应高频电磁场能够产生热效应，引起组织的变温，从而影响细胞的代谢和增殖。
电磁生物知识点总结归纳
电磁生物知识点总结归纳一、电磁辐射对生物体的影响1. 电磁辐射的分类电磁辐射是一种横波，按频率分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
这些电磁波的频率范围不同，对生物体的影响也会有所不同。
2. 电磁辐射的生物效应电磁辐射与生物体相互作用时，会产生一系列的生物效应。
例如，高频微波会导致组织水分子的振动、发热和热损伤；紫外线会造成DNA损伤和细胞凋亡；X射线和γ射线具有较强的穿透能力，能够引起基因突变和细胞放射性损伤。
3. 电磁辐射的危害不同频率的电磁辐射对生物体产生的危害程度各有不同。
长期暴露在电磁场中会导致细胞DNA的损伤、免疫功能下降、生殖功能受损等。
辐射对眼睛、皮肤等部位也有一定损害。
因此，科学合理地应对电磁辐射，对人体健康起着至关重要的作用。
二、生物体对电磁场的感知和响应机制1. 生物体对电磁场的感知生物体对电磁场的感知主要通过生物体内部的感知器官，例如视网膜对可见光的感知、皮肤对红外线的感知等。
一些生物体甚至能够通过电磁场进行导航、通信和捕食。
2. 生物体对电磁场的响应生物体对电磁场的响应是通过一系列的生理和行为反应来实现的。
例如，动物能够感知地磁场进行导航、迁徙和领地竞争；植物则能够感知光线强度和方向，作出相应的生长和发育调节。
三、电磁场在医学和生物科学中的应用1. 电磁场在医学中的应用电磁场在医学中有着广泛的应用，例如MRI技术利用强磁场和无线电波来成像人体内部的结构和功能；电磁脑刺激技术则利用微波或者强磁场来治疗神经系统疾病；另外，一些医疗器械也运用了电磁原理，比如心脏起搏器和除颤仪等。
2. 电磁场在生物科学研究中的应用电磁场在生物科学研究中也有着重要的应用价值，例如通过电磁波来研究分子和细胞的结构，探索生命的起源和进化，了解生物体内部的生理功能等。
此外，电磁场还被运用在生物物理学、生物化学以及生物医学工程等研究领域。
总之，电磁生物学作为一个新兴的交叉学科科学领域，正逐渐显示出其在物理、化学、生物和医学等领域的重要性。
生物磁学ppt课件
生物界的磁学现象
生物具有磁性是地球为生物留下的鲜明的环境烙 印，但生物对磁性的拥有并不是完全被动的，它们通 常是将磁性为我所用，有些生物则是将磁性当作自身 的生存法宝。 植物：健康成长。植物的细胞具有极性，植物的生 命磁场对自身的生长发育有着很重要的作用，研究人 员将小麦、玉米的种子分别放置在水分和养料都一模 一样的容器内，几天过后，凡是胚根朝向磁南极的种 子，都比胚根朝向磁北极的种子早发芽，并且根和茎 部比较健壮。
• 生物磁场一般都是很微弱的，其中最强 的肺磁场其强度也只有 10-8～9特斯拉数 量级；心磁场弱一些，其强度约为1011~12特斯拉数量级；自发脑磁场更弱， 约为10-12~13特斯拉数量级；最弱的是 诱发脑磁场和视网膜磁场，其为1013~14特斯拉数量级。
生物磁场的来源
• 生物磁场的来源主要有：
• 在医药上的应用 • 在病人的患处或其他部位(如经穴)施加适当强度的恒 定磁场或交变磁场，可以治疗一些疾病，称为磁场 疗法或简称磁疗．还可以利用磁场(或加脉冲电场配 合）做外科手术时的麻醉，称为磁场(或磁电)麻醉， 简称磁麻．已经把磁麻应用到拔牙、切除扁桃体和 粉瘤等手术，收到较好的效果．还有用强磁材料作 成磁手镯、磁项链，磁椅和磁床等，以治疗高血压 和消除疲劳．这些磁疗方法具有适应症较广，治疗 安全，无创伤和痛苦，副作用极少，操作简单等优 点．以磁石(Fe3O4)为重要成分的成药如磁石、耳聋 左慈九、紫雪(散)、磁珠九已写入《中华人民共和国 药典》利用磁场作用的原理，已经制成血流计，无 触点心肌和神经刺激器，磁控导管，磁药针，（红， 白）血球分离器，还可以用核磁共振技术做癌的早 期检查和诊断。
• 微弱磁场的生物效应 • 在生物磁学中，一般将一般将远低于地磁场强 度的磁场(如＜10-3奥)称为微弱磁场．例如行 星际空间磁场约5×10-5奥，月球表面磁场小于 10-5奥，地磁场在反向的过渡时期中估计可能 降低到远低于正常值．将眼虫藻、绿藻和纤毛 虫在低于10-3奥的恒定微弱磁场中培养3个星期， 发现其生长繁殖加快，但在102奥的强磁场中 培养，生长繁殖却受到抑制．把小白鼠饲养在 10-3的微弱磁场中，一年以后，其寿命比对照 组缩短6个月，并且不能再生育.
生物电磁学读书笔记
生物生存的电磁环境和电磁生物效应的研究关键词：电磁辐射生物效应生存环境近年20多年来，，电磁场的生物效应引起了人们的极大关注。
随着工业和社会的进步，电磁场也越来越多的介入来生物的生存坏境之中，其中一类是生命存在的宇宙或太空本身具有的，如太空及地面发出的多种形式的辐射：太阳风、X射线、紫外线等。
而另一类则是由于工业和科学的进步，特别是进入电磁与电子时代以来，人为的制造的大量的电磁辐射源，如高压线传输线、电视塔及电台的电磁辐射源等。
一切生物，特别是人，基本上是生活在电磁场笼罩的环境之中，尤其是生活在高压输电线、电台和电视台等强辐射中的人群和动物、植物所受到的电磁照射是非常强的。
随着电磁辐射在工业生产、通讯、交通、日常生活、医疗以及军事等领域得到了广泛的应用,给人类生活、工作带来巨大的益处的同时，电磁辐射也造成了越来越严重的环境污染,影响着人们的健康.因此，今天人类和和动、植物生存环境越来越电磁化了。
电磁场或波在生命活动过程中起着重要作用，生物体和细胞的代谢过程、信息传导等许多生理功能都与电磁活动有关。
在生物发展的过程中，太阳电磁波、地磁场伴随了整个生物进化和生物个体发育。
随着人类使用各类电磁辐射源越来越多，造成环境电磁辐射的程度呈几何数量增加。
同时，利用电磁原理制成各种治疗或理疗仪已广泛运用于医院和家庭保健和理疗之中。
电磁效应在生活中的应用一、农业上的应用1 植物种子的电磁生物效应利用电磁场处理农作物种子，是电磁生物效应研究最早、在农业上应用最多的一个方面。
种子经适当的磁（电）场处理后，可使种子呼吸强度提高，根系活力增强，发芽率和发芽势提高，产量有不同程度的增加。
2 电磁场对农作物生长的影响电磁场是植物生长不可缺少的条件，是重要的物理环境因素。
若把植物用接地的细金属网罩起来，屏蔽大气电场及离子流，植株就不能正常生长发育；反之，外加一适宜的电场，便可促进植物的生长。
3 电磁场对禽畜生产的影响电磁场对禽畜生产的影响是显著的，有关禽畜等农业生物（如鸡、兔、奶牛、蚕和水产生物等等）的电磁生物效应研究均有报道。
生物物理学 第五章
河北工业大学 生物物理学
5.9.2 辐射诱变育种技术
离子注入诱变育种技术
重离子辐射诱变育种技术
太空育种技术
河北工业大学 生物物理学
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离子注入诱变育种技术
等离子体所 (小麦新品种：抗病增产)
河北工业大学 生物物理学 23
重离子辐射诱变育种技术
CK－20Gy－40Gy－60Gy－80Gy － － － － 38MeV 7Li (2005-12) 剂量效应不明显， 剂量效应不明显，均达到半致矮效果
河北工业大学 生物物理学 20
硼中子俘获治疗的基本原理
10
B + nth → 11B → 7 Li (1.01MeV ) + 4 He(1.78MeV )
6.3％ 93.7％
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10
B + nth → 11B → 7 Li (0.84 MeV ) + 4 He(1.47 MeV ) + γ (0.48MeV )
河北工业大学 生物物理学
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硼中子俘获治疗的发展过程
1936年，美国Locher发现BNCT的基本原理 1951年，美国开始脑肿瘤的治疗 1968年，日本完成第一条医学照射径迹的模拟（Hitachi 反应堆 HTR） 1977年，实际应用的医学照射开始在MIT的研究堆 （MITRR） 1984年，国际中子俘获疗法学会建立 1990年，医学照射在东京大学反应堆（KUR）上启动 1994年，医学照射开始在BMRR和MITR－II上（超热中子） 1997年，医学照射在荷兰开始（HRF） 2005年，我国中子俘获疗法委员会成立
17
5.9辐射生物学的应用研究实例 5.9辐射生物学的应用研究实例
5.9.1 硼中子俘获治疗
生物电磁技术
A
X射线造影剂
造影剂，是为增强影像观察效果而注入(或服用)到人 体组织或器官的化学制品。这些制品的密度高于或低于 周围组织，形成的对比用某些器械显示图像。
在生物电磁领域，研究的是一种新型的造影剂—磁性
X射线造影剂。它是一种磁性液体,这种造影剂具有流动
性好、覆盖力强等优点. 当这种磁性液体进人体内后,在
A
肺磁图（MPG）
肺磁图就是利用人体肺内蓄积的铁磁性粉尘， 在外部用强磁场进行磁化，使肺内粉尘带上磁 性，在中断磁化之后，在体表测得剩余磁感应 强度，并将其描记成点图或曲线图，即为肺磁 图。
16
A
肺磁图的医学应用
由于铁磁性物质广泛存在于工业粉尘中，具有代表性的就是 磁铁矿，铁磁性物质易被磁化，剩磁大小与量的多少成正比； 因此，可以通过测定肺部剩磁大小估算各工种工人的肺内粉 尘含量，实现对尘肺病的早期诊断，这也是肺磁图技术的主 要应用之一。
脾等几个器官上.虽然生命体的这种磁性极弱,但仍能
为医学疾病的诊断提供重要的检测依据。
7
A
生物磁学在医学诊断中的应用
➢ 生命体自身弱磁性在医学诊断中的应用 ➢ 外加磁场和磁性物质在医学诊断上的应用
8
A
生命体自身弱磁性在医学诊断中的应用
➢脑 磁 图（MEG） ➢心 磁 图（MCG） ➢肺 磁 图（MPG）
9
A
脑磁图（MEG）
人的颅脑周围存在的磁场称为脑磁场。但这
种磁场强度很微弱，要用特殊的设备才能测知
并记录下来．需建立一个严密的电磁场屏蔽室，
在这个屏蔽室中，将受检者的头部置于特别敏
感的超冷电磁测定器中，通过特殊的仪器可测
出颅脑的极微弱的脑磁波，再用记录装置把这
生物物理与生物磁学
生物磁学与生物学、物理学、化学、医学等领域密切相关。
生物磁学包括生物磁场的产生、分布、性质和功能等方面。
生物磁学是研究生物体内磁场和磁性物质的科学。
生物磁场的产生和作用机制
生物磁学在医学中的应用，如磁共振成像（MRI）
生物磁学在生物学中的应用，如鸟类迁徙和磁场感知
生物磁学在环境科学中的应用，如地磁场对生物行为的影响
19世纪末，物理学家开始关注生物现象
20世纪初，量子力学的兴起为生物物理学的发展提供了理论基础
20世纪50年代，DNA双螺旋结构的发现为生物物理学的研究提供了新的方向
20世纪70年代，生物物理学逐渐成为一门独立的学科，研究领域不断扩大
生物磁学的概念
生物磁学在生物导航、生物通讯、生物医学等方面有广泛的应用。
汇报人：XX
生物物理与生物磁学
目录
添加目录标题
生物物理学的概念
生物磁学的概念
生物物理学与生物磁学的关系
生物物理学与生物磁学的前景展望
添加章节标题
生物物理学的概念
生物物理学是研究生物系统中的物理现象和规律的科学。
生物物理学的研究内容包括生物分子的结构、功能、相互作用以及生物系统的能量转换、信息传递等。
生物物理学：研究生物系统的物理性质和规律
应用领域RI）、核磁共振（NMR）、磁性标记等
生物物理学与生物磁学的前景展望
环境领域：生物物理学与生物磁学在环境监测、污染治理和生态保护等方面的应用
农业领域：生物物理学与生物磁学在植物生长、病虫害防治和农业生态等方面的应用
生物物理学与生物磁学在生物技术领域的应用，如基因编辑、生物制药等，为人类健康提供了新的治疗方法。
生物物理学与生物磁学在农业领域的应用，如电磁育种、电磁除草等，为农业可持续发展提供了新的技术支持。
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骨骼肌细胞为-90mV； 人的红细胞为-10mV；
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在细胞内液和外液中，有Na+、K+、Cl-、Ca+等各种离子和 一些带电荷的蛋白质分子，一般细胞内液和外液中各自正负 电荷是相等的，但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。
细胞内
K+
Na+
Cl-
细胞外 K+ Na+ Cl-
人红细胞 136 13
83
5 164 154
胃肠平滑肌细胞 162 22
40
5.9 137 134
蛙骨骼及细胞 155 12
4
4 145 120
枪乌贼轴突 369 44
39
13 498 520
13
细胞膜与离子通透性
对钾离子通透 性最大，是钠 离子通透性的 30-100倍
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.5 生物电阻抗
在低频电流下，生物结构具有复杂的电阻性质。 有的是普通的欧姆电阻，在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；
有的呈非线性，其中还有对称性和非对称性。 生物阻抗和生物机体或组织体积的变化有关。
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6. 中心导体模型
ro
ro
ro
rm
rm
rm
rm
Cm
Cm
Cm
Cm
ri
ri
ri
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。
细胞动作电位的产生，取决 细胞膜两侧的电压和膜对于 特定离子，尤其是钠、钾离 子随时间变化的通透性。当 动作电位发生时，细胞对于 钠、钾离子通透性显著增加。
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4 细胞的电参量
膜是由脂类物质构成的，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋白质 组分特性、构象及膜上位置变化，造成膜两侧某种特定导电状态。
Rinp
（1）组成蛋白质的20种氨基酸中有13种在水中能离解产生离子基团或 表现电偶极子特性；
（2）DNA大分子中的碱基和磷酸酯也存在离子基团和偶极子； （3）生物水本身就有强烈的电偶极作用； （4）生物体本身还存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等无机离子；
6
1 蛋白质的偶极矩
在组成蛋白质的13种极性氨基酸中，根据其在水中的状态，分为酸性、 碱性、中性；
Rm S
膜两侧的糖和蛋白质也往往有许多带电的离子基团，并且与细胞内
液和外液中的各种离子相互作用，形成一定厚度的电荷层，相当于
一个电容器。
Cm
m 4 x
21
膜同时兼有电阻和电容的复合特性，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，膜阻 抗相对很低，细胞内外空间电流的分布简单地取 决于内外液电阻间的相对大小。
在神经和肌肉中，这种能力高度发展， 主要表现是细胞膜的电位发生快速的改变。
(2)、细胞的动作电位( action potential)
动作电位：当刺激强度较小时，细胞膜内外的电位差会在短时间内减 小，减小程度与刺激电极间距的大小成反比，细胞膜电位仍是外正内 负。
当刺激强度超过某一阈值(threshold)时，可兴奋细胞的跨膜电位，在 短时间内由外正内负变为外负内正，达到最大值后，再逐渐恢复到原 来的状态。这种短暂的电位变化，成为动作电位。
发现生物电的存在 (Animal electricity)
发现肌肉活动是由 于神经向肌肉的电 流动造成
1737.9-1798.11.4
生物电的发现 （1791）
细胞内外存在电位差 (1848,Reymond)
心电图测量 (Einthoven，1901)
细胞存在动作电位(1920s)
细胞膜存在跨膜电位 (Hodgkin &Huxuly,1939)
（1）酸性 (2)碱性氨基酸
(3)侧链在不解离的状态下也存在极性基团而表现极性；
由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键联结的，由于原子中心不重合而使肽键呈现 极性，
7
2 生物水的电特性
在生物体中，水不仅提供细胞的生活环境，还在相当程度上决 定着生物大分子的构象和功能，影响生命活动中物质输运、能量转换 和信息传递过程。
（1）水分子具有很强的偶极性；
（2）结构水:能与其它水分子，离子或生物大分子的极性基团之间形成 氢键；
10
3 细胞电活动基础
生物电现象是生物界一种极普通的生理现象。细胞膜电位瞬时 改变可导致组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和效 应的基础。
(1)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的电位差。 静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电的状态，称为极化状态。
细胞膜存在离子通道(1952)
单通道物理特性（1970s）
生物电
生物电现象 离子、大分子、细胞、 身体 人体静电（可以达到10,000V 以上）
生物电是生命活动的基础 运动、脑功能与 内分泌细胞的活动、DNA 形成、细胞能量产生
生物电信号携带有生命的特征信息
生物体内充满了电荷，绝大部分电荷以离子、离子基 团和电偶极子的形式存在。
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7. 生物组织的介电性质
电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象。 生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子，外电场会导
细胞处于静止电位时称为极化(polarization)，极化量减小时成为去极 化(depola-rization).
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动作电位一般分为四个时相：
• （1）去极化(depola-rization )（2）反极化(overshoot)（3）复 极化(re polarization )（4）超极化(hyper polarization )
第五章
生物电磁学
电磁波产生机理与特性
无线 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 电波
产生 振荡电
机理
路中自 由电子
的振动
原子外层电子受到激发
原子内层 电子受到
激发
原子核 受到激
发
特性 应用 通信
热作用
使人类产 化学作用、 生视觉 荧光效应、 杀菌消毒
穿透能力强
工业探伤、医学透视 等
5.1 生物电特性 Luigi Galvani
氯离子次之
可兴奋细胞静息电位V的 Goldman-Hodgkin-Kalz方程：
V
RT F
ln
PK [K ]i PK [K ]o
PNa[Na ]i PCl [Cl ]o PNa[Na ]o PCl [Cl ]i
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生物组织可以对外界刺激发生反应， 当刺激达到一定阈值时，生物组织发生反 应，称为兴奋。