生物磁學

研究生物磁性和生物磁場的生物物理學分支。通過生物磁學研究，可以獲得有關生物大分子、細胞、組織和器官結構與功能關係的信息，了解生命活動中物質輸運、能量轉換和信息傳遞過程中生物磁性的表現和作用。生物磁學研究與物理學、生物學、心理學和生理學、醫學等有密切關係，並在工農業生產、醫學診斷和治療、環境保護、生物工程等方面有廣闊套用前景。

簡要概述

生物磁學

磁性是物質的一種基本屬性，組成巨觀物體的各種原子、電子和原子核都有一定的磁矩。根據物質在外磁場中表現的不同磁性行為，可分為抗磁性物質、順磁性物質、鐵磁性物質和反鐵磁性物質。組成生物體的分子中大部分表現為抗磁性，例如水分子。一些生物大分子也表現抗磁性，例如DNA分子由雜環多聚核苷酸鏈組成的鹼基對，是各向異性的抗磁性物質，當其分子雜環平面與外磁場平行時，DNA分子的絲軸就向磁場垂直取向。含有過渡族元素(如Fe、Mn、Co、Cu、Mo等)的生物大分子在一定條件下表現順磁性，如含鐵的血紅蛋白、含鈷的維生素B12、含銅的肝銅蛋白等，其中過渡族金屬元素的不成對電子在d軌道內，從而使一些蛋白質在外加磁場中呈現各向異性的順磁性。此外在生物體內一些生化反應中，會產生短壽命的自由基，由於自由基具有未配對電子──自鏇磁矩，因而呈現順磁性。80年代發現，在有些向磁性細菌和蜜蜂、鴿子及海豚體內含有微小的Fe3O4顆粒，這種亞鐵磁性物質與這些生物的定向運動功能有著密切的關係。

結構和功能

生物磁學在醫學的套用

具有順磁性的許多蛋白質和酶在生命活動中有重要功能，例如含鐵的血紅蛋白（參與氧輸運）、氧化還原素（參與光合作用）、琥珀酸脫氫酶（參與碳水化合物氧化），含鈷的核糖核苷酸氧化酶（參與 DNA合成）、谷氨酸變位酶（參與胺基酸代謝），含銅的血清蛋白(負責鐵的利用)等。測量生物物質的磁化率，可以了解其結構與功能關係的一些信息，如測量順磁性的脫氧血紅蛋白和脫氧肌紅蛋白的磁化率與溫度的關係，可確定其中Fe的能級分裂參數。對人喉正常組織和腫瘤組織的磁化率測量表明，兩者有顯著的差異。根據物質的固有磁矩與外磁場相互作用，在一定條件下發生強烈共振吸收而建立的磁共振技術，具有靈敏度高、選擇性強、可以研究動態和瞬變過程等特點，是研究生物物質結構和功能關係的十分重要的技術。從吸收譜線的位置、峰的高度和面積、譜線分裂、自鏇－自鏇弛豫時間、自鏇-晶格弛豫時間等參量的分析，可以得到生物物質微觀結構和動態變化的大量信息。利用順磁共振（電子自鏇共振）譜可以研究含有順磁性離子的蛋白質和酶及生命活動過程中瞬時產生的自由基，例如，測量光合作用中產生的自由基數量與光照強度和頻率的關係，可探討光合作用機制。還可把含有自由基的分子加入到不含自由基或順磁性離子的生物物質中，作為微探針（稱自鏇標記），用順磁共振譜研究被標記的生物物質微觀結構及其動態變化。對含有大量較輕元素（如氫、氧、氮、磷等）的生物物質，十分適合用核磁共振技術研究（見核磁共振），例如，用核磁共振譜已認證出含16種胺基酸的胰島素中8種胺基酸譜線，這對人工合成生物材料的鑑定有重要作用。分析吸收譜線參量的變化可以獲得人體組織發生病變的信息，如對106例腫瘤病人的腫瘤組織樣品和無病屍檢正常組織對照研究發現，腫瘤組織的質子自鏇－晶格弛豫時間比正常組織的有顯著增加。80年代發展的二維核磁共振技術對測定生物大分子的溶液構象有重要的套用前景。利用磁場梯度掃描的核磁共振成象技術，可以顯現生物組織和器官截面的氫元素分布，在醫學診斷方面比X射線斷層分析技術(CT)有更高的解析度。此外，利用R.L.莫斯鮑爾效應的技術，可以研究含有莫斯鮑爾同位素 (如Fe)的生物物質的微觀結構和狀態。

生物磁場

生物磁場的源頭

生物磁場的來源和探測技術　生物磁場來源於生物體內的電活動和非正常生理狀態的強磁性物質(如Fe3O4)。在生命活動如物質輸運、能量轉換和信息傳遞過程中，會發生電荷的傳遞或離子的遷移。例如心臟搏動、骨骼肌運動、神經系統感知和調控過程中，這些組織的細胞膜對各種離子的通透性會發生瞬時變化，出現脈衝式的離子電流，導致細胞膜電位的改變，形成動作電位。動作電位的傳播在生物組織中形成生物電流,同時伴生相應的生物磁場。此外，由於環境污染等原因，吸入人體的鐵磁性物質的粉塵，會沉積於肺部或進入胃腸系統，經外加 磁場磁化後，可測到一定的剩餘磁場。生物磁場都相當微弱。通常地磁場約為5×10特斯拉(T)，一般城市環境磁噪聲約為5×10特斯拉，可見，微弱的人體磁信號會淹沒在地磁和環境磁噪中。因此，測量人體磁場既要求高靈敏度的磁強計，又需要性能良好的磁禁止。70年代以來，已發展了各種磁禁止室和空間鑑別技術（磁場梯度儀），特別是低溫超導量子干涉儀(SQUID)的成功套用，使磁測量靈敏度高達10特斯拉，結合使用梯度儀探測，已可在無磁禁止環境工作，有力地促進了人體磁場的探測和研究。生物磁場隨時間或空間位置變化的記錄圖稱為生物磁圖，生物磁圖與生物電圖比較有如下顯著優點：①磁探測器不與人體直接接觸，可避免電極與體表接觸產生的干擾；②磁測量可得到人體恆定的和交變的磁場成分，而生物電只能得到交流成分；③磁場探測器可在空間改變探測部位，能得到三維的磁場分布圖，並能對源電流產生部位進行較準確定位。

生物磁場刮痧

人體磁圖①心磁圖，1963年，G.M.鮑勒等首次用感應線圈法測到人的心磁信號，70年代以來，用低溫超導量子干涉儀(SQUID)技術進行了更細緻的研究。心臟磁圖和電圖有一定相關性，但心磁圖能提供更多的信息，如心臟受傷供血不足或出現心肌梗死時，可檢測到出現的恆定磁場成分並能對病變部位定位，用心電圖無法檢測出的24～36周胎兒的心率可用磁強計檢測到。②腦磁圖和神經磁場,1968年,D.科恩首次記錄到腦的α節律磁圖。研究表明，α節律的源定向與皮層表面垂直。在臨床上利用記錄發作期癲癇樣放電對應的腦磁圖，可對癲癇病灶作精確的三維空間定位。另一類腦磁場是測量感覺誘發磁場，對閃光刺激引起的視覺誘發腦磁場、聲音刺激誘發的聽覺腦磁場等的研究表明，其磁場峰值部位與生理學對視覺和聽覺的腦皮層定位有很好的對應關係。1980年J.P.威克斯沃等在蛙離體坐骨神經上成功地測量了神經磁場，同時測定的由電刺激誘發的雙向動作電位和磁場之間有很好的一致性，只是磁場變化時相稍為滯後。③肺磁圖，1973年，D.科恩首次檢測了肺磁場。用探測器在人胸或背部表面掃描，或按規定的格線分別定點測量磁化後的剩磁場，得到的肺各部位磁場分布即是肺磁圖(圖3)。通過分析,可推算出人肺內各部位沉積的鐵磁性物質的含量和與之混合的其他粉塵含量，是對粉塵環境下作業工人的勞動防護監測的精確和方便的技術，同時也可了解吸菸者或其他肺部疾病患者的肺泡清除功能。

主要套用

磁場療法

在生物工程中的套用：長期的觀測和試驗表明，鴿子的認家（導航）與地磁場有關，一些細菌在水中沿地磁場方向遊動，表現出“向磁性”，這些現象為磁導航的仿生學研究提供了有意義的線索。對果蠅的試驗表明，磁場能引起果蠅遺傳上的變異，這有可能在遺傳工程上獲得套用。在生物工程上，可以利用磁作用和電磁作用原理，製成人工心碗輸血的電磁泵，分離細胞、細笛、病毒和葉綠素中生物顆粒的磁電泳儀，無轉動部件的電磁離心機等．主人類的宇航活動和空間生物學研究中，還可能利用別一些磁技術和磁效應。例如，可以利用強磁場防禦高能宇宙線的照射，可以利用磁場產生的磁力造成失逼狀態下的人工重力。研究入和生物在強磁場(如電磁推進裝置防高能宇宙線設備)或極弱磁場(如星際它間、月球和某些行星磁場)中生活的影響也是需要和有意義的。
在環境保護中的套用：利用高梯度磁分離法，可以大量除去煤中污染性強的硫化物。在水中施加強磁性細粉（如Fe3O4粉,稱為磁性種子），再通過磁分離器或高梯度磁分離器，可以高效率的消除水中的細菌、病毒，有害殘留物（如Hg等）和洗滌劑等，防止環境的污染。

在醫藥上的套用：在病人的患處或其他部位(如經穴)施加適當強度的恆定磁場或交變磁場，可以治療一些疾病，稱為磁場療法或簡稱磁療。臨床實踐表明，對於治療急性挫扭傷、腰肌勞損、風濕性關節炎、高血壓、神經性頭痛等常見病和多發病都有較好的或一定的療效。還可以利用磁場(或加脈衝電場配合＞作外科手術時的麻醉，稱為磁場(或磁電)麻醉，簡稱磁麻。已經把磁麻套用到拔牙、切除扁桃體和粉瘤等手術，收到較好的效果。還有用強磁材料作成磁手鐲、磁項鍊，磁椅和磁床等，以治療高血壓和消除疲勞．這些磁療方法只有適應症較廣，治療安全，無創傷和痛苦，副作用極少，操作簡單等優點．以磁石(Fe3O4)為重要成分的成藥如磁石、耳聾左慈九、紫雪(散)、磁珠九已寫入《中華人民共和國藥典》(1963年)．利用磁場作用的原理，已經製成血流計，無觸點心肌和神經刺激器，磁控導管，磁藥針，（紅，白）血球分禽器，還可以用核磁共振技術和核磁振技術作癌的早期檢查和診斷。
生物磁學在農業上的套用：隨著生物磁現象和磁場生物效應的觀測和研究的發展，生物磁學已在農業、醫氏環境保護和生物工程等方面得到廣泛的套用。流水經過與水流方向垂直的一定強度的磁場處理後稱為磁場處理水。簡稱磁水，習慣上也稱磁化水。經過長期和大量的試驗和套用表明。磁水不但能顯著降低水垢，而且具有多方面的生物效應。因而在農業、醫藥和食品工業等方面獲得了許多受到重視的套用．許多試驗表明，利用磁場處理一些農作物的種子，施加磁性肥料(如鋇鐵氧體BaFe12O19顆粒和微量稀土鹽類)，或利用經磁場處理的水(簡稱磁水或磁化水)浸種、育秧或灌溉，以及用磁水養魚，可以提高種子發芽串，促使作物長勢好，收到增產的效果，或使魚病減少，促進色的發育生長。在磁場中飼養的小雞和小白鼠，也比對照組的體重增加。利用磁學方法還可進行無損和快速的種子養分的測定和病蟲害的檢疫。