第四篇 生物與自然環境 ★生物電

電及電的利用人們早就熟知而習以為常了。在冬天手冷了，隻要雙手互相使勁地搓就會產生電和熱；若用一塊毛皮擦一根金屬棒，則在金屬棒上會產生更多的電荷，此時用它碰碰小紙屑，小紙屑便可被吸引附著在金屬棒上。至於現代化的家庭幾乎樣樣都離不開電。電燈、電扇、電冰箱、電話、電視機等等。可是你可知道，我們人體也有電的產生與電的不斷變化呢!

前麵我們已經談到過，我們人體是由許多許多細胞構成的。細胞是我們機體的最基本的單位，因為隻有機體各個細胞均執行它們的功能，才使得人體的生命現象延續不斷。同樣地，我們若從電學角度考慮，細胞也是一個生物電的基本單位，它們還是一台台的“微型發電機”呢。原來，一個活細胞，不論是興奮狀態，還是安靜狀態，它們都不斷地發生電荷的變化，科學家們將這種現象稱為“生物電現象”。細胞處於未受刺激時所具有的電勢稱為“靜息電位”；細胞受到刺激時所產生的電勢稱為“動作電位”。而電位的形成則是由於細胞膜外側帶正電，而細胞膜內側帶負電的原因。細胞膜內外帶電荷的狀態醫生們稱為“極化狀態”。

由於生命活動，人體中所有的細胞都會受到內外環境的刺激，它們也就會對刺激作出反應，這在神經細胞(又叫神經元)、肌肉細胞更為明顯。細胞的這種反應，科學家們稱“興奮性”。一旦細胞受到刺激發生興奮時，細胞膜在原來靜息電位的基礎上便發生一次迅速而短暫的電位波動，這種電位波動可以向它周圍擴散開來，這樣便形成了“動作電位”。

既然細胞中存在著上述電位的變化，醫生們便可用極精密的儀器將它測量出來。此外，還由於在病理的情況下所產生的電變化與正常時不同，因此醫生們可從中看出由細胞構成的器官是否存在著某種疾病。

有一種叫“心電描記器”的儀器，它便是用來檢查人的心髒有否疾病的一種儀器。這種儀器可以從人體的特定部位記錄下心肌電位改變所產生的波形圖像，這就是人們常說的心電圖。醫生們隻要對心電圖進行分析便可以判斷受檢人的心跳是否規則、有否心髒肥大、有否心肌梗塞等疾病。

同樣地，人類的大腦也如心髒一樣能產生電流，因此醫生們隻要在病人頭皮上安放電極描記器，並通過腦生物電活動的改變所記錄下來的腦電圖，便知道病人腦內是否有病。當然，由於比起心電來，腦電比較微弱，因此科學家要將腦電放大100萬倍才可反映出腦組織的變化，如腦內是否長腫瘤、受檢查者有否可能發生癲癇(俗稱羊癲瘋)等。科學家們相信，隨著電生理科學以及電子學的發展，腦電圖記錄將更加精細，甚至有一天這類儀器還可正確地測知人們的思維活動。

電在生物體內普遍存在。生物學家認為，組成生物體的每個細胞都是一台微型發電機。細胞膜內外帶有相反的電荷，膜外帶正電荷，膜內帶負電荷，膜內外的鉀、鈉離子的不均勻分布是產生細胞生物電的基礎。但是，生物電的電壓很低、電流很弱，要用精密儀器才能測量到，因此生物電直到1786年才由意大利生物學家伽伐尼首先發現。

人體任何一個細微的活動都與生物電有關。外界的刺激、心髒跳動、肌肉收縮、眼睛開閉、大腦思維等，都伴隨著生物電的產生和變化。人體某一部位受到刺激後，感覺器官就會產生興奮。興奮沿著傳人神經傳到大腦，大腦便根據興奮傳來的信息做出反應，發出指令。然後傳出神經將大腦的指令傳給相關的效應器官，它會根據指令完成相應的動作。這一過程傳遞的信息——興奮，就是生物電。也就是說，感官和大腦之間的“刺激反應”主要是通過生物電的傳導來實現的。心髒跳動時會產生1～2毫伏的電壓，眼睛開閉產生5～6毫伏的電壓，讀書或思考問題時大腦產生0．2～1毫伏的電壓。正常人的心髒、肌肉、視網膜、大腦等的生物電變化都是很有規律的。因此，將患者的心電圖、肌電圖、視網膜電圖、腦電圖等與健康人作比較，就可以發現疾病所在。

在其他動物中，有不少生物的電流、電壓相當大。在世界一些大洋的沿岸，有一種體形較大的海鳥——軍艦鳥，它有著高超的飛行技術。能在飛魚落水前的一刹那叼住它，從不失手。美國科學家經過10多年研究，發現軍艦鳥的“電細胞”非常發達，其視網膜與腦細胞組織構成了一套功能齊全的“生物電路”，它的視網膜是一種比人類現有的任何雷達都要先進百倍的“生物雷達”，腦細胞組織則是一部無與倫比的“生物電腦”，因此它們才有上述絕技。

還有一些魚類有專門的發電器官。如廣布於熱帶和亞熱帶近海的電鰩能產生100伏電壓，足可以把一些小魚擊死。非洲尼羅河中的電縮，電壓有400—500伏。南美洲亞馬孫河及奧裏諾科河中的電極，形似泥鰍、黃紹，身長2米，能產生瞬間電流2安培，電壓800伏，足可以把牛馬甚至人擊斃在水中，難怪人們說它是江河裏的“魔王”。

植物體內同樣有電。為什麽人的手指觸及含羞草時它便“彎腰低頭”害羞起來?為什麽向日葵金黃色的臉龐總是朝著太陽微笑?為什麽捕蠅草會像機靈的青蛙一樣捕捉葉子上的昆蟲?這些都是生物電的功勞。如含羞草的葉片受到刺激後，立即產生電流，電流沿著葉柄以每秒14毫米的速度傳到葉片底座上的小球狀器官，引起球狀器官的活動，而它的活動又帶動葉片活動，使得葉片閉合。不久，電流消失，葉片就恢複原狀。在北美洲，有一種電竹，人畜都不敢靠近，一旦不小心碰到它，就會全身麻木，甚至被擊倒。

此外，還有一些生物包括細菌、植物、動物都能把化學能轉化為電能，發光而不發熱。特別是海洋生物，據統計，生活在中等深海的蝦類中有70％的品種和個體、魚類中70％的品種和95％的個體，都能發光。一到夜晚，在海洋的一些區域，一盞盞生物燈大放光彩，匯合起來形成極為壯觀的海洋奇景。

生物電現象是指生物機體在進行生理活動時所顯示出的電現象，這種現象是普遍存在的。

細胞膜內外都存在著電位差，當某些細胞(如神經細胞、肌肉細胞)興奮時，可以產生動作電位，並沿細胞膜傳播出去。而另一些細胞(如腺細胞、巨噬細胞、纖毛細胞)的電位變化對於細胞完成種種功能也起著重要作用。

隨著科學技術的日益進展，生物電的研究取得了很大的進步。在理論上，單細胞電活動的特點，神經傳導功能，生物電產生原理，特別是膜離子流理論的建立都取得了一係列的突破。在醫學應用上，利用器官生物電的綜合測定來判斷器官的功能，給某些疾病的診斷和治療提供了科學依據。

我們的臨床工作中經常遇到興奮性、興奮與興奮傳導這些概念，都跟生物電有關。了解了生物電的現代基本理論，對於正確理解這些概念以及心電、腦電、肌電等的基本原理都有重要意義。細胞生物電現象有以下幾種：

1．靜息電位

組織細胞安靜狀態下存在於膜兩側的電位差，稱為靜息電位，或稱為膜電位。細胞在安靜狀態時，正電荷位於膜外一側(膜外電位為正)，負電荷位於膜內一側(膜內電位為負，)這種狀態稱為極化。如果膜內外電位差增大，即靜息電位的數值向膜內負值加大的方向變化時，稱為超極化。相反，如果膜內外電位差減小，即膜內電位向負值減小的方向變化，則稱為去極化或極化。一般神經纖維的靜息電位如以膜外電位為零，膜內電位為-70~-90毫伏。靜息電位是由於細胞內K\＋+出膜，膜內帶負電，膜外帶正電導致的。

2．動作電位

當細胞受刺激時，在靜息電位的基礎上可發生電位變化，這種電位變化稱為動作電位。動作電位的波形可因記錄方法不同而有所差異。以微電極置於細胞內，記錄到快速、可逆的變化，表現為鋒電位；鋒電位代睛細胞興奮過程，是興奮產生和傳導的標誌。

鋒電位在示波器上顯示為灰銳的波形，它可分為上升支和一個下降支。上升支先是膜內的負電位迅速降低到零的過程，稱為膜的去極化(除極)。接著膜內電位繼續上升超過膜外電位，出現膜外電位變負而膜內電位變正的狀態，稱為反極化。下降支是膜內電位恢複到原來的靜息電位水平的過程，稱為複極化。鋒電位之後到完全恢複到靜息電位水平之前，還有微小的連續緩慢的電變化，稱為後電位。

心肌細胞的生物電現象和神經纖維、骨骼肌等細胞一樣，包括安靜時的靜息電位和興奮時的動作電位，都有其特點。心肌細胞安靜時，膜內電位約為一90毫伏。心肌細胞靜息電位形成的原理基本上和神經纖維相同。主要是由於安靜時細胞內高濃度的k’向膜外擴散而造成的。當心肌細胞接受刺激由靜息狀態轉入興奮時，即產生動作電位。其波形與神經纖維有較大的不同，主要特征是複極過程複雜，持續時間長。心肌細胞的某一點受刺激除極後，立即向四周擴散，直至整個心肌完全除極為止。已除極處的細胞膜外正電荷消失，未除極處的細胞膜仍帶正電而形成電位差。除極與未除極部位之間的電位差，引起局部電流，由正極流向負極。複極時，最先除極的地方首先開始複極，膜外又帶正電，再次形成複極處與未複極處細胞膜的電位差，又產生電流。如此依次複極，直至整個心肌細胞的同時除極也可以看成許多電偶同時在移動，不論它們的強度和方向是否相同，這個代表各部心肌除極總效果的電偶稱為等效電偶。心髒的結構是一個立體，它除極時電偶的方向時刻在變化，表現在心電圖上，是影響各波向上或向下的主要原因。由於各部心肌的大小、厚薄不同，心髒除極又循一定順序，所以心髒除極中，等效電偶的強度時刻都在變化。它主要影響心電圖上各波的幅度。人體是一個容積導體，心髒居人體之中，心髒產生的等效電偶，在人體各部均有它的電位分布。在心動周期中，心髒等效電偶的電力強度和方向在不斷地變化著。身體各種的電位也會隨之而不斷變動，從身體任意兩點，通過儀器(心電圖機)就可以把它描記成曲線，這就是心電圖。

隨著分子生物學和膜的超微結構研究的進展，人們更試圖從膜結構中某些特殊蛋白和其他物質的分子構型的改變，來理解膜的通透性能的改變和生物電的產生，這將把生物電現象的研究推進到一個新階段。