基本介紹
- 中文名：生物磁學
- 外文名：biomagnetism
- 學科性質：生物物理學的分支
- 特徵：研究生命物質的磁性和結構功能
發展簡史,生物磁現象,磁場生物效應,套用,
發展簡史
生物磁學現象和效應的觀察及套用開始很早。中國西漢的《史記》（前90年）便有利用磁石治病的記載，其後歷代的許多醫藥學著作中都有磁石治療多種疾病的描述，明代著名藥物學家李時珍在《本草綱目》（1578）中列舉了磁石在醫藥上的十餘種套用，如治腎虛耳聾、眼花內障、小兒驚癇、大腸脫肛、金創血出等。在西方，古希臘醫生加倫曾利用磁石治療腹瀉，11世紀阿拉伯名醫阿維森納曾利用磁石治療脾臟病、肝病、水腫和禿頭等。I.艾丹在所著《電和磁現象的相互聯繫》（1843）一書中，綜述了磁場對動植物和人體的影響以及在臨床上的套用。19世紀末，M.達松伐耳發現了人眼磁閃光效應。由於現代物理學、化學、電子學等方法在生物磁學中的套用，測量了人體和生物體的極微弱磁場，發展了人體和生物體的核磁共振成像技術，發現了一些生物體內的微量強磁物質，研究了生物磁性與生物結構和功能的關係，極大地豐富了現代生物磁學的內容和套用。
生物磁現象
生物磁場可能有兩種來源：一種是由生物體中的電子傳遞和離子轉移等過程引起的生物電流產生的電致內源生物磁場；另一種是由於生物體內的強磁性物質（如Fe3O4微粒）磁化後產生的磁致內源（生物體內原有的）或外源（從生物體外進入的）生物磁場。生物磁場的強度很微弱，如人體心臟活動產生的心磁場約10－11—10－10特，人體腦神經活動產生的腦（神經）磁場約10－13—10－12特，人體肺部吸入強磁性物質磁化後可產生約10－9—10－8特的肺磁場。測量這些微弱的生物磁場需要採用高靈敏度的磁強計（如超導量子干涉式磁強計）和高性能的磁禁止室。生物磁場隨時間的變化稱為生物磁圖，它能提供關於生物體的生理和病理狀態的重要信息。其特點是：磁探頭不與生物體接觸，可避免接觸（如電極）干擾；可測量恆定的和交變的生物磁場以及不同方向的生物磁場分量；可測量生物磁場的三維空間分布；某些情況下生物磁圖具有較高的解析度。因此，生物磁圖可在基礎研究和臨床診斷上得到套用。
生物磁場研究中，檢測生物活體內主要由生物大分子活動期間生物電的流動所造成的磁場，受到生物學家的重視，因為這些磁場正是大分子結構和功能變化的真實反映，因此它提供了有關的重要信息。如利用電子自旋共振可研究光合作用中產生的自由基數量與光照強度和頻率的關係，探討光合作用的機制，研究含順磁離子（如含Fe離子的血紅蛋白）或加入自旋標記（含自由基的分子）的生物分子的某些微觀結構，證認生物大分子中的各種基團；利用核磁共振方法可研究含核磁矩同位素（如1H，13C，14N，15N，17O，31P和33S）的生物分子的微觀結構和動態過程，證認生物大分子中的各種基團，利用核磁共振成像技術還可顯示生物組織甚至生物活體的某一截面的元素或狀態分布，現已能顯示1H的元素分布和狀態變化；利用穆斯堡爾效應（見穆斯堡爾譜學）方法，可研究含有穆斯堡爾同位素（如57Fe）的生物組織的某些微觀結構和電子狀態；研究某些含Fe蛋白在氧化和還原狀態的電子價態變化，可診斷一些與含Fe有關的疾病（如含鐵血黃素沉著病，地中海型貧血病）；利用磁化率的測量可研究生物組織中順磁離子（如Fe離子）的能級參數，研究正常組織與病變組織的差異等。
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Fe3+的能級分裂參數。
磁場生物效應
不同類型、強度和分布的外磁場對生物體的影響不同。遷徙鳥類和回歸的鴿子能清楚地找出它們周圍的路徑 ，很多研究有力地證明了鳥類能夠很好地利用地磁。如把果蠅飼養在均勻恆定磁場中，磁場為0.01—0.15特時，果蠅形態並無明顯變化，但當把磁場增加到0.3—0.4特時，形態畸變就顯著增大；黑暗或閉眼狀態中，由磁場引起光感覺的磁閃光效應只發生在磁場變化或交變磁場情況下，並且在磁場變化頻率為20—30赫時最為顯著；把體外培養的S–37腫瘤細胞在不同強度的均勻恆定磁場中培養，磁場約0.1—0.2特時未觀察到可察覺的變化，磁場增加到約0.37特時會使細胞中的脫氧核糖核酸（DNA）合成減少，磁場再增加到0.44—0.80特時會出現細胞退化變性現象。
套用
生物磁學在農業、醫藥、環境保護和生物工程等方面得到較廣泛的套用。農業上利用磁場處理一些作物的種子和幼苗，施加少量的磁性肥料，或者利用經磁場處理的水（簡稱磁水或磁化水）浸種、育秧或灌溉，可提高種子發芽率，促進作物長勢，收到增產效果；利用磁水養魚，可使魚病減少，促進魚的發育生長。醫藥上磁石（Fe3O4）已是多種中藥的重要組分；磁場治療（磁療）對於急性扭挫傷、腰肌勞損、神經性頭痛等疾病都有較好的療效；磁場鎮痛（簡稱磁麻）方法已開始在拔牙、切除粉瘤和闌尾以及結紮輸卵管等手術中試驗或套用；利用磁場作用原理，已研製出血流計、磁藥針、無觸點心肌或神經刺激器、血球分離器和磁假肢等；磁水已在治療結石病上得到較好療效。環境保護中，利用高梯度磁分離和加磁性種子的磁分離方法，可除去煤中硫化物，清除污水中的細菌、病毒和有害殘留物（如汞等）。生物工程中，長期的觀測和試驗表明鴿子認家（導航）與地磁場有關；一些細菌在水中沿地磁場遊動表現出“向磁性”；磁場能引起果蠅遺傳上的變異。這些為磁仿生工程或遺傳工程提供了有意義的線索。可以利用電磁作用原理，製成人工輸血的電磁泵等。在人類的宇航空間生物學研究中，還可以利用磁效應及其技術。例如利用強磁場防禦高能宇宙線的照射，利用磁場效應造成失重狀態的“人工重力”等。研究人和生物在強磁場（如電磁推進裝置防高能宇宙線設備）或極弱磁場（如星際空間、月球和行星磁場）中的影響等，都有重大的實用價值。
生物磁場刮痧
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