各种类型磁场的生物效应

第三节磁场的生物效应序言某些生物体内存在着强磁性物质，细菌、蜜蜂、鸽子、海豚体内有微量的Fe3O4或Fe，人体鼻窦中也有铁的沉积物。这些磁性物质会产生磁场。如果将一定方式和强度的磁场作用于生物和人体必将产生一定的效应，这就是磁场的生物效应。古代人曾赋予磁铁许多特异功能，除治疗疾病外，还能永葆青春，益寿延年。据说古埃及国王的公主为了使美丽常驻，经常在前额佩带磁带。今天，磁带和磁枕又流行起来了。很多商家声称磁场能治百病，如减轻关节、肌肉的僵硬，止牙痛等。长期作磁疗，可减肥、增高?一、各种类型磁场的生物效应二、磁场对不同生物层次的效应三、磁场生物效应特点和微观机理的研究内容一、各种类型磁场的生物效应1.1地磁场的生物效应1.2恒定强磁场的生物效应1.3极弱磁场的生物效应1.4交变磁场及其生物效应1.5磁化水的生物效应1.1地磁场的生物效应远在地球上的生物发生之前，就存在着地球磁场了。地磁场是地球上生物的物理环境因素。生物在长期演化过程中，适应了这一环境因素，并且利用其发挥了一定生理功能。当地磁场发生明显变化时会影响生物的活动，甚至生命活动。地磁场的起源和成因地壳包裹着整个地球，很薄，质量为全球的0.2％。据推测外核可能主要由液态铁组成。内核为在极高压下结晶的固体铁镍合金组成。地幔最厚，占地球质量的68％左右，密度由外至内逐渐增大地磁场的起源和成因一直是悬而未决的问题，先后提出了10多种学说。发电机学说:根据地球形成及物体旋转运动规律，地核旋转慢，地表旋转快；如果把地表看成是静止的，那么地核就作旋转运动；地球不断接收太阳射来的带正电的质子，使地球带有正电，地核也就带正电，带正电的地核在旋转时就会产生磁场，这就形成了地磁场。地球内部构造复杂，此学说有待于进一步验证。2009年美国科学家提出了地球磁场由海流产生的新理论。认为带盐份的海水流动产生了电流和地磁。此项研究结果发表在英国物理研究所《NewJournalofPhysics》。1.1.1生物的向磁性和地磁场导航作用1.1.2地磁场的生命保护伞作用及其极性改变对生物的作用1.1.3磁暴引起的地磁场变化的生物效应地磁场有何生物效应？信鸽爱好者都知道，如果把鸽子放飞到数百公里以外，它们还会自动归巢.鸽子为什么有这么好的认家本领呢？信鸽归巢之谜1.1.1生物的向磁性和地磁场导航作用原来，其头颅内存在磁性细粒，起罗盘定向作用.鸽子可以利用地磁找到自己的家.信鸽归巢之谜将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的铜块，在远离鸽巢放飞.???实验1：绑有铜块的鸽子全部都飞回鸽巢，但大部分绑有永磁铁的鸽子却迷失方向。永磁铁的磁场干扰,使鸽子不能识别地球磁场。将一组鸽子放置在鸽巢和其地磁共轭点之间的中点处，放飞.实验2：鸽子头部有少量的强磁性Fe3O4，如何利用Fe3O4导航，是需要进一步研究的问题。大约有一半飞回原来的鸽巢，其余的鸽子却飞到共轭点去了。表明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢的。地磁共轭点：具有相同地磁经纬度的南北半球的两个点候鸟作季节性往返迁徙而不迷途,其大脑组织中含有比鸽子更丰富的磁性成分.20世纪70年代，一位美国博士生在研究细菌时偶然发现了一种生活在海底淤泥的厌氧细菌。在显微镜下观察时，它总是移向载玻片的一边；拿一磁铁靠近载玻片，它就向磁铁N极移动，叫做趋磁细菌.趋磁细菌的发现为什么具有趋磁性细菌体中沿轴线排列着大约20颗细黑粒，是直径约50nm的Fe3O4在不含铁的培养液中培养几代后不再含Fe3O4，不具有上述行为。如何证明趋磁性是体内Fe3O4所致？形成过程非常复杂：特殊基因的表达、囊泡形成、金属离子输运和生物的矿化作用。趋磁细菌不喜欢氧气。他们需要从富氧区移至贫氧或无氧区。在水中，含氧量随着水深度的增加而降低，所以，趋磁细菌喜欢生活在水环境的底部。他们用他们的磁性罗盘告诉它们哪个方向为下。为什么这些细菌需要用罗盘？它们如何做到这一点？在北半球，地磁场北极是以一定角度向下的，所以通过沿着地磁场的北极，他们向深水处移动，并进入贫氧区。有意思的是，在南半球，地磁场北极实际上是以一定角度向上的。所以，在南半球的趋磁细菌是“追南型”。在赤道区，地磁北极不是向上也不是向下的，所以趋磁细菌为“追南型”、“追北型”混和型。科学家对趋磁细菌的应用非常感兴趣。日本学者Mrtsunaga早在1991年就预计趋磁细菌的磁小体是高新技术领域中的一种新的生物材料。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同：大块纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2um以下时，矫顽力可增加1千倍，若进一步减小尺寸到6×10-3um时，矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，作成高贮存密度的磁记录粉，用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用其磁性和深黑颜色，微波吸收材料。利用超顺磁性，制成用途广泛的磁性液体，用于磁性密封、生物医药和磁保健。细菌产生的微小磁铁比人类自己做的要好。纳米究竟有多小？加拿大冬小麦根的生长方向喜欢沿磁场增强的方向，表现向磁性。1.1.2地磁场的生命保护伞作用及其极性改变对生物的作用太阳风是稀薄的带电离子流，每秒以300-400公里飞行。如果没有地磁场这个巨大的“保护伞”，也许就不会有今天的人类和各种生命。假如没有地磁场，强大的太阳风将不会受到地磁的偏转作用而向地球方向长驱直入，扫掉大气，使海洋日益蒸发，甚至消失.大气中的二氧化碳就会不断增加，气温不断上升，产生温室效应。地磁场极性改变对生物的作用地磁场每隔50-100万年，会发生一次转向。同时发现一些低等生物灭绝，其化石在某一时期的地层中消失了。在约250万年前的一次地磁场反向中，7种低等生物化石消失；7万年前的一次地磁场反向中，有7种低等生物化石灭绝.目前有两种推测性的解释：一种解释：在过度期间，地磁场显著下降时，地面受到的宇宙线和其他辐射增强，对一些种属的生物来说辐射达到突变或致死辐射的剂量，因而引起这些生物的灭绝；另一种解释：过度期间地磁场显著下降时，引起磁层和大气层的剧烈变化，从而发生气候的异常变化，也可使一些种属的生物不能适应而灭绝。1.1.3磁暴引起的地磁场变化的生物效应磁暴是太阳黑子活动造成的，当太阳突然喷射大量带电微粒进入地球大气时，引起地球电离层的变化，同时也使地磁场强度和方向发生急剧不规则的变化。太阳黑子活动呈现周期性变化，每年3-4，9-10月间活动最频繁，地磁场受磁暴的强烈影响也呈周期性变化。当“磁暴”出现时，地球上生物和人的生理状态都有一定变化。果蝇在自然条件下的变异与地磁场的变化具有一定的相关性。例子一位荷兰科学家在实验中，发现雌性大鼠肝中糖元的周日变化与地磁倾角变化的相关性；例子人的精神和生理节律呈现出与地磁场变化相协调和同步的相关性。美国科学家说，在地磁受到干扰期间，精神病院的患者会猛增。苏联科学家认为，由眼球内液压增大的青光眼突然严重地发病，往往发生在磁暴期间。据统计，某城市居民在每次强烈磁暴后，死亡率和某些疾病地发病率明显增加。心脏病突发和地磁活动之间有“特殊高峰”相关关系。例子地磁场周期性变化的积极效应正是由于地磁场受到大气放电的脉冲磁场、太阳磁暴和宇宙电磁辐射的影响，使生命在海洋里首先出现，并诱发一些生物变异，从而不断地促进地球上生物从简单到复杂，从低等到高级的进化过程。地磁场作为地球最基本的特性之一，它与人类的生存和自然界的各种现象密切相关，对地磁场的研究具有重要的科学价值。我们只是对地磁场进行了简单的了解。相信随着科学的发展，将来一定能揭开地磁场的种种迷团。1.2恒定强磁场的生物效应1.2.1恒定均匀强磁场的生物效应1.2.2恒定梯度磁场的生物效应1.2恒定强磁场的生物效应恒定磁场：磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场。铁磁片和通以恒定直流电的电磁铁所产生磁场都属于恒定磁场。强磁场一般指100奥斯特(真空中为0.01T)以上的磁场。强磁场可分为均匀强恒磁场和梯度场两种类型。研究恒定强磁场的生物效应，必须同时考虑磁场强度、梯度和作用时间等诸因素。1.2.1恒定均匀强磁场的生物效应1）把细菌放置在14千奥的恒定匀强磁场中，其生长受到抑制。磁场强度因素1.2.1恒定均匀强磁场的生物效应2)强度高于1.25千奥的恒定均匀磁场却会促进燕麦的生长。磁场强度因素1.2.1恒定均匀强磁场的生物效应发现磁场强度为0.1-1.5千奥时，畸变不显著，但当磁场增加到3-4千奥时，畸变率就迅速增大。磁场强度因素表明磁场的生物效应有一个临界值，超过阈值，磁场效果才显著。3)果蝇长时期饲养在不同强度的均匀恒定强磁场中、观察磁场引起果蝇形态上的畸变磁场时间作用因素采用磁场强度与作用时间的乘积作为磁场剂量。猴子放在70千奥的超导强磁场中约1小时，心率会降低磁场时间作用因素另外当人走近加速器的强磁场（10-20千奥）时，几分钟内有不能确定空间方向的感觉，如停留稍久，这种感觉消失，而当人们离开时，又会有不辨方向、行走不稳的感觉。这表明是磁场的变化影响人的定向感觉。但若把不同蛹龄的果蝇放在梯度约9千奥/毫米、强度22千奥的不均匀强磁场中。1小时龄的果蝇蛹经过几分钟死亡.不同蛹龄的果蝇蛹经过10分钟后约有50%变为成虫，但成虫也不能活到1小时以上。而且有5-10%的成虫呈现严重的羽翅反常和体态畸形.这说明磁场的不均匀程度对生物的影响是相当显著的。作用于果蝇1.2.2恒定梯度磁场的生物效应果蝇在100-140千奥的强磁场中经过1-2小时未发现显著变化，把移植有肿瘤的小白鼠放在梯度1千奥/厘米、强度2.4-4.5千奥的不均匀磁场中饲养，肿瘤增长较未加磁场的缓慢；到第15天后，肿瘤不再增大；第22天，肿瘤开始缩小，这时未加磁场处理的小白鼠因肿瘤长大而死亡；第27天，肿瘤完全消失。这一实验为磁疗抑制甚至消除肿瘤提供了根据。恒定梯度磁场作用于小白鼠的肿瘤恒定强磁场引起的生物效应不但与磁场的强度、梯度和作用时间有关，而且对不同的生物，同一生物的不同生长期，其磁场效应也是不相同的。1.3极弱磁场的生物效应研究极弱磁场对人和各种生物的影响，对航天活动和生物演化研究都是具有重要意义的。低于10-3奥的磁场为极弱磁场，也为“零”磁场。1.3极弱磁场的生物效应把白葡萄菌培养在5.1×10-2奥的磁场中，经过72小时后，观测到菌落的大小和数目都减小，表明极弱磁场会抑制这种细菌繁殖。各种生物和生物组织在极弱磁场中的效应是很不相同的。1.3极弱磁场的生物效应把绿藻和纤毛虫培养在不同强度的磁场中，从低于10-3奥的极弱磁场到103奥的强磁场，经过3个星期培养后，发现它们在极弱磁场中生长繁殖加快了，与白葡萄球菌相反，但在强磁场中生长繁殖却受到抑制。1.3极弱磁场的生物效应把鸡的胚胎组织放在约5×10-5奥的磁场中培养4天以后，发现磁场对胚胎组织的大小和发育都无影响。1.3极弱磁场的生物效应把小白鼠放置在约（1.0±0.5）×10-3奥的磁场中饲养，一年以后，小白鼠的寿命缩短约6个月，而且不再能生育。闪光的融合：当每分钟闪光的次数增加一定程度时，眼就不再感到是闪光而感到是一个完全稳定或连续的光。闪光临界融合频率：闪烁刚刚达到融合时光刺激的间歇频率。闪光融合我们的眼睛并不是一种完美的时间记录工具，视网膜存在时滞现象，后象所保留的时间约为0.1秒。这种时滞的存在是一优点。如果我们的眼睛在时间上具有完全的分辨力，那么我们在交流电灯光下，任何物体都将显得闪烁了。宇航员在极弱磁场中生活10天，闪烁融合系数的阈值会显著降低。但2名海军人员在极弱磁场中生活14天，却未观察到生理变化。表明磁场因素的影响将因人而异，情况复杂。1.4交变磁场及其生物效应交变磁场：磁场强度和方向在规律变化的磁场。脉动磁场：磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场。脉冲磁场：最大特点是间歇式出现磁场交变磁场的生物效应磁闪光效应便不能在恒定磁场中发生。闪光现象：由于非可见光的刺激而产生的光感觉现象。磁场频率在20-30Hz时，闪光效应最显著。交变磁场的生物效应较恒定磁场的生物效应更为复杂。一定的交变磁场作用于青蛙视网膜，用微电极记录到视网膜神经节的电