基本介紹
- 中文名：生物磁現象
- 外文名：Biological magnetic phenomenon
生物磁現象,常見磁現象,磁性的來源,成像,心磁圖腦磁圖,鴿子回家,海龜回遊,
生物磁現象
磁是什麼？
情況真是這樣嗎？
生物也有磁性嗎？這些磁性還有重要的套用嗎？這好像是難理解的。
一般提起磁，有些人都覺得磁是較為少見的，好像主要就是磁石或磁鐵吸引鐵，而把一般物質稱為無磁性或非磁性。現代科學的發展已經表明這樣的看法是不對的。這些磁性還有重要的套用嗎？這好像是難理解的。
常見磁現象
我們的生活每時每刻都和磁性有關。沒有它，我們就無法看電視、聽收音機、打電話；沒有它，連夜晚甚至都是一片漆黑。
人類雖然很早就認識到磁現象，但直到了現代，人們對磁現象的認識才逐漸系統化，發明了不計其數的電磁儀器，象電話、無線電、發電機、電動機等。如今，磁技術已經滲透到了我們的日常生活和工農業技術的各個方面，我們已經越來越離不開磁性材料的廣泛套用。
由於物質的磁性既看不到，也摸不著，我們無法通過自己的五種感官（聽覺、視覺、味覺、嗅覺、觸覺）直接體會磁性的存在，但人們還是在實踐中逐步揭開了其神秘面紗。磁鐵總有兩個磁極，一個是N極，另一個是S極。一塊磁鐵，如果從中間鋸開，它就變成了兩塊磁鐵，它們各有一對磁極。不論把磁鐵分割得多么小，它總是有N極和S極，也就是說N極和S極總是成對出現，無法讓一塊磁鐵只有N極或只有S極。
磁極之間有相互作用，即同性相斥、異性相吸。也就是說，N極和S極靠近時回相互吸引，而N極和N極靠近時回互相排斥。知道了這一點，我們就明白了為什麼指南針會自動指示方向。原來，地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近。這樣，如果把一塊長條形的磁鐵用細線從中間懸掛起來，讓它自由轉動，那么，磁鐵的N極就會和地球的S極互相吸引，磁鐵的S極和地球的N極互相吸引，使得磁鐵方向轉動，直到磁鐵的N極和S極分別指向地球的S極和N極為止。這時，磁鐵的N極所指示的方向就是地理的北極附近。
磁性與磁場
什麼是磁性？簡單說來，磁性是物質放在不均勻的磁場中會受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場中，由單位質量的物質所受到的磁力方向和強度，來確定物質磁性的強弱。因為任何物質都具有磁性，所以任何物質在不均勻磁場中都會受到磁力的作用。圖3是測量物質磁性的磁天平儀。
怎樣表示物質磁性的強弱呢？為什麼吸鐵石並沒有接觸鋼鐵就可以吸引它？在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，並且讓它們的S極相對。紙板上面撒一些細的鐵粉末。看會發生什麼現象？鐵的粉末會自動排列起來，形成一串串曲線的樣子。其中，N極和S極之間的曲線是連續的，也就是說曲線從N極直至S極。而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。這種現象說明，磁鐵的磁極之間存在某種聯繫。因此，我們可以假想，在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強弱。這種假想的曲線稱為磁力線，並規定磁力線從N極出發，最終進入S極。這樣，只要有磁極存在，它就向空間不斷地發出磁力線，而且離磁極近的地方磁力線密，而遠處磁力線稀疏（圖4）。鐵粉末的排列形狀就是磁力線的走向。
有了磁力線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力線是我們為了理解方便而假想的，實際上並不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道，物質之間存在萬有引力，它是一種引力場。磁場與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱（圖5）。單位截面上穿過的磁力線數目稱為磁通量密度。
運動的帶電粒子在磁場中會受到一種稱為洛侖茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場中所受到洛侖磁力的大小來確定磁場強度的高低。圖6是測量脈衝強磁場的磁通密度的特斯拉磁強計，簡稱特斯拉計。特斯拉是磁通密度的國際單位制單位。磁通密度是描述磁場的基本物理量，而磁場強度是描述磁場的輔助量。特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)是克羅地亞裔美國電機工程師，曾發明變壓器和交流電動機。
物質的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，並因此得到廣泛的研究和套用。近自我們的身體和周邊的物質，遠至各種星體和星際中的物質，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，巨觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。
世界上的物質究竟有多少種磁性呢？一般說來，物質的磁性可以分為弱磁性和強磁性，再根據磁性的不同特點，弱磁性又分為抗磁性、順磁性和反鐵磁性，強磁性又分為鐵磁性和亞鐵磁性。這些都是巨觀物質的原子中的電子產生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，稱為核磁性。但是核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低，故一般講物質磁性和原子磁性都主要考慮原子中的電子磁性。原子核的磁性很低是由於原子核的質量遠高於電子的質量，而且原子核磁性在一定條件下仍有著重要的套用，例如醫學上套用的核磁共振成像(也常稱磁共振CT，CT是計算機化層析成像的英文名詞的縮寫)，便是套用氫原子核的磁性。
磁性的來源
物質的磁性來自構成物質的原子，原子的磁性又主要來自原子中的電子。那么電子的磁性又是怎樣的呢？從科學研究已經知道，原子中電子的磁性有兩個來源。一個來源是電子本身具有自旋，因而能產生自旋磁性，稱為自旋磁矩；另一個來源是原子中電子繞原子核作軌道運動時也能產生軌道磁性，稱為軌道磁性。我們知道，物質是由原子組成的，而原子又是由原子核和位於原子核外的電子組成的。原子核好象太陽，而核外電子就仿佛是圍繞太陽運轉的行星。另外，電子除了繞著原子核公轉以外，自己還有自轉（叫做自旋），跟地球的情況差不多。一個原子就象一個小小的“太陽系”（圖7）。另外，如果一個原子的核外電子數量多，那么電子會分層，每一層有不同數量的電子。第一層為1s，第二層有兩個亞層2s和2p，第三層有三個亞層3s、3p和3d，依此類推。如果不分層，這么多的電子混亂地繞原子核公轉，是不是要撞到一起呢？
在原子中，核外電子帶有負電荷，是一種帶電粒子。電子的自轉會使電子本身具有磁性，成為一個小小的磁鐵，具有N極和S極。也就是說，電子就好象很多小小的磁鐵繞原子核在旋轉。這種情況實際上類似於電流產生磁場的情況。
既然電子的自轉會使它成為小磁鐵，那么原子乃至整個物體會不會就自然而然地也成為一個磁鐵了呢？當然不是。如果是的話，豈不是所有的物質都有磁性了？為什麼只有少數物質（象鐵、鈷、鎳等）才具有磁性呢？原來，電子的自轉方向總共有上下兩種。在一些數物質中，具有向上自轉和向下自轉的電子數目一樣多，如圖8所示，它們產生的磁極會互相抵消，整個原子，以至於整個物體對外沒有磁性。而低於大多數自轉方向不同的電子數目不同的情況來說，雖然這些電子所磁矩不能相互抵消，導致整個原子具有一定的總磁矩。但是這些原子磁矩之間沒有相互作用，它
們是混亂排列的，所以整個物體沒有強磁性。只有少數物質（例如鐵、鈷、鎳），它們的原子內部電子在不同自轉方向上的數量不一樣，這樣，在自轉相反的電子磁極互相抵消以後，還剩餘一部分電子的磁矩沒有被抵消，如圖9所示。這樣，整個原子具有總的磁矩。同時，由於一種被稱為“交換作用”的機理，這些原子磁矩之間被整齊地排列起來，整個物體也就有了磁性。當剩餘的電子數量不同時，物體顯示的磁性強弱也不同。例如，鐵的原子中沒有被抵消的電子磁極數最多，原子的總剩餘磁性最強。而鎳原子中自轉沒有被抵消的電子數量很少，所有它的磁性比較弱。
抗磁性和抗磁共振(迴旋共振)
物質的抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發生變化，而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。這樣表示物質磁性的磁化率便成為很小的負數(量)。磁化率是物質在外加磁場作用下的合磁矩(稱為磁化強度)與磁場強度之比值，符號為κ。一般抗磁(性)物質的磁化率約為負百萬分之一(-10-6)。常見的抗磁物質：水、金屬銅、碳(C)和大多數有機物和生物組織。抗磁物質的一個重要特點是磁化率不隨溫度變化。物質抗磁性的套用主要有：由物質的磁化率研究相關的物質結構是磁化學的一個重要研究內容；一些物質如半導體中的載(電)流子在一定的恆定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發生抗磁共振(常稱迴旋共振)，由此可測定半導體中載流子(電子和空穴)的符號和有效質量(如圖10所示)；由生物抗磁(性)組織的磁化率異常變化可推測該組織的病變(如癌變)。
成像
一般在作體格檢查時常要做心電圖的檢查，在身體上幾處貼上電極片，然後用心電檢測儀測繪出心電圖，再根據心電圖來診斷心臟活動是否正常？是否有什麼疾病？這是因為人的心臟活動會產生心臟電流，而心臟活動的正常與否便會反映在心臟電流隨時間的變化上。這種心臟電流變化稱為心電圖。但心電圖會受電極片接觸情況的影響，而且心電圖不能反映心電流的直流分量，電極片更不能離開人體。但我們知道，電流會產生磁場，因此心臟電流會產生心臟磁場，原理上同心電圖一樣也會有心磁圖，但是同心電圖相比較，要測量心磁圖卻很困難，可是從心磁圖獲得的心臟信息卻更多和更有其優點。
磁在生物學和醫學方面的一項重要套用是原子核磁共振成像，簡稱核磁共振成像，又稱核磁共振CT(CT是計算機化層析術的英文縮寫)。這是利用核磁共振的方法和電子計算機的處理技術等來得到人體、生物體和物體內部一定剖面的一種原子核素，也即這種核素的化學元素的濃度分布圖像。套用的是氫元素的原子核核磁共振層析成像。這種層析成像比套用的X射線層析成像(又稱X射線CT)具有更多的優點。例如，X射線層析成像得到的是成像物的密度分布圖像，而核磁共振層析成像卻是成像物的原子核密度的分布圖像。雖然還僅限於氫原子核的密度分布圖像，但氫元素是構成人體和生物體的主要化學元素。因此，從核磁共振層析成像得到的氫元素分布圖像，要比從X射線密度分布圖像得到人體和生物體內的更多信息。例如，人體頭部外
層頭骨的密度高，而內層腦組織的密度較低，因此從人頭部的X射線層析成像難於得到人腦組織的清晰圖像，但是從人頭部的核磁共振層析成像卻可以得到頭內腦組織的氫原子核即氫元素分布的清晰圖像，從而可以看出腦組織是否正常。又例如，對於初期腫瘤患者，其組織同正常組織尚無明顯差異時，從X射線層析成像尚看不出異常，但從核磁共振層析成像就可看出其異常了。圖1是我國研製生產的核磁共振層析成像裝置正在為病人檢查，圖2 是以一腦瘤病人頭部的核磁共振層析成像和X射線層析成像。在核磁共振層析成像中可以檢查出的腦瘤(A)，但在X射線層析成像中卻看不出來。核磁共振層析成像套用的雖然還只有氫核一種原子核素，但從科學技術發展看，可以預言將會有更多的原子核素，如碳核和氮核等的核磁共振層析成像也將進入套用。
心磁圖腦磁圖
我們在體格檢查或因心臟、腦部疾病去醫院就醫時，常常需要做心電圖或腦電圖的檢查，由此了解心臟或腦部的生理和病理情況。但是我們知道電的活動(電流)會產生磁場，因此在心電流產生心電圖和腦電流產生的腦電圖時，也應該有心磁場產生的心磁圖和腦磁場產生的腦磁圖。那么為什麼醫院裡還沒有套用心磁圖和腦磁圖呢？這是因為心臟產生的心磁場和腦部產生的腦磁場都太微弱，不但需要特別的高度靈敏的測量心、腦磁場的磁強計，例如套用在很低溫度下才能使用的超導量子干涉儀(SQUID)式磁強計，而且由於微弱的心臟磁場只有地球磁場的大約百萬分之一(10-6)，更微弱的腦部磁場只有地球磁場的大約億分之一(10-8)，因此在測量心臟磁場和腦部磁場時還必須排除地球磁場的乾攏，這就需要在能把地球磁場顯著減小的磁禁止室中進行心、腦磁場的測量，或者利用超導量子干涉儀式磁場梯度計在沒有磁禁止室時進行心、腦磁場的測量。這是因為磁場梯度計只測量不均勻的磁場，而對均勻的磁場無反應。而在小的區域中的地球磁場是均勻的，但人的心、腦磁場卻是隨距離心、腦遠近的不同而不同的非均勻磁場，故可以用高靈敏度的超導量子干涉儀式磁場梯度計而不需用磁禁止室便可以測量人的心、腦磁場。可以看出，心、腦磁場的測量要比心、腦電場的測量複雜和困難得多，因而在套用上受到許多限制。國外和我國雖然都研製出超導量子干涉式磁強計，大的磁禁止室和超導量子干涉式磁場梯度計，但都還沒有實際和大量套用到心、腦磁場和心、腦磁圖的測量上。
但是，從另一方面看，同心、腦電圖相比較，心、腦磁圖在醫學套用上卻有許多特點和優點。例如，心電圖只能測量交變的電流信號，不能測量直流(恆定)的電流信號，因而不能套用於只產生直流異常電信號的生理病理探測，而心、腦磁圖卻能同時測量交變和直流(恆定)的磁場信號。又例如，心、腦電圖的測量都需要使用同人體接觸的電極片，而電極片的乾濕程度及同人體接觸的鬆緊程度都會影響測量的結果，同時因使用電極片，不能離開人體，故只能是2維空間的測量，但是心、腦磁圖卻是使用可不同人體接觸的測量線圈(磁探頭)，既沒有接觸的影響，又可以離開人體進行3維空間的測量，可得到比2維空間測量更多的信息。再例如，實驗研究結果表明，心、腦磁圖比心、腦電圖具有更高的解析度。還有除了心、腦磁圖外，已經測量研究了人體的眼磁圖、肌(肉)磁圖、肺磁圖和腹磁圖等，取得了人體多方面的磁信息。圖3顯示出一位癲癇病人頭部由腦磁場測量確定的腦神經缺損區病灶。為了提高測量人體心、腦等磁場的解析度，可以採用幾個到幾十個測量磁場的磁探頭。
鴿子回家
許多人都知道，家裡養的鴿子可以從離家幾十、幾百甚至上千公里的地方飛回家裡；燕子等候鳥每年都在春秋兩季分別從南方飛回北方，又從北方飛到南方；一些海龜從棲息的海灣游出幾百幾千公里後又能回到原來的棲息處。它們是如何辨別方向的？尤其是在茫茫的海洋上。難道它們也像人類航海時一樣使用指南針嗎？大量的和長期的觀察研究表明，這些生物從原居處遠行後再回到原居處，的確是與地球磁場有關的，或者可能有關的。我們來看看一些觀察研究的情況。
首先關於鴿子的觀察研究。曾將兩組鴿子分別綁上強磁性的永磁鐵塊和弱磁性的銅塊，在遠離鴿巢放飛後，綁有銅塊的鴿子全部都飛回鴿巢，但大部分綁有永磁鐵的鴿子卻迷失方向而未返回鴿巢。這表明永磁鐵的磁場干擾，使鴿子不能識別地球磁場。又曾將一組鴿子放置在鴿巢和與鴿巢的地球磁場相同的地磁共軛點(距鴿巢數千公里)之間的中點處，放飛後這些鴿子大約有一半飛回原來的鴿巢，其餘的鴿子卻飛到鴿巢的地球磁場共軛點處了。這表明鴿子是依靠地球磁場來識別鴿巢的。還有一些觀察顯示，鴿子在無線電台等強電磁場附近常會迷失方向。這表明強的電磁場會干擾鴿子識別地球磁場。是什麼使鴿子能識別地球磁場呢？進一步觀察研究發現鴿子頭部含有少量的強磁性物質四氧化三鐵(Fe3O4)。我國古代的司南指南器就是利用天然磁鐵礦石製造的，其主要成分也是Fe3O4。但是鴿子是否是利用其頭部的Fe3O4導航(識別地球磁場方向)？又是如何利用Fe3O4導航的？這些都是需要進一步研究的問題。
海龜回遊
其次關於海龜回遊的觀察研究。對出生在美國東南海岸的一種海龜遊動進行的觀察顯示在圖4中，幼海龜在大西洋中沿著順時針路線出遊，經過若干年後又能回到出生地產卵。這些海龜是依靠什麼導航呢？有的觀察研究者認為同地球磁場有關，並進行了這樣的實驗研究。在裝有海水並加上人造磁場的大容器中，觀測到磁場的確影響海龜的航行。當人造磁場反向時，海龜的遊動也反向。這表明磁場是影響海龜的航行的。但是磁場影響海龜航行的程度和機制等都是需要進一步研究的。
磁性細菌的磁導航
在20世紀70年代，一位美國博士生在研究細菌時偶然觀測到一種水生細菌總是朝北方和一定深度的水下遊動。這一奇特現象引起了他和後來更多的研究者的關注。對這種後來稱為磁性細菌或稱向磁性細菌的大量的觀測和研究取得了許多重要的結果。首先，分別在北半球的美國、南半球的紐西蘭和赤道附近的巴西對
這種磁性細菌的觀測研究表明，這種磁性細菌在北半球是沿著地球磁場方向朝北和水下遊動，而在南半球卻是逆著地球磁場方向朝南和水下遊動，但在赤道附近則既有朝北遊動的，也有朝南遊動的。其次，由細菌體分析研究表明，在這種長條形細菌體中，沿長條軸線排列著大約20顆細黑粒，如圖5電子顯微鏡的放大像所示。這些細黑粒是直徑約50納米的強磁性Fe3O4。再其次，將這種細菌在不含鐵的培養液中培養幾代後，其後代體內便不再含有Fe3O4細粒，同時也不再具有沿地球磁場遊動的向磁性了。總之，這些觀察、實驗和研究表明，磁性細菌所表現的沿地球磁場遊動的特性是同細菌體內所含的強磁性Fe3O4(也可稱為鐵的鐵氧體)分不開的。
如果進一步再問：為什麼這些強磁性鐵氧體顆粒的直徑總是在50納米左右，而不是更粗或者更細的顆粒？為什麼這些磁性細菌在地球北半球和南半球的遊動方向會分別向北和向南？研究是這樣說明的：這種強磁性鐵氧體(Fe3O4)顆粒在50納米附近正好形成單磁疇結構，可得到最佳的強磁性。如果顆粒太粗，會形成多磁疇結構，而如果顆粒太細，又會產生超順磁性，都會使其強磁性減弱。這種磁性細菌在地球北半球和南半球的遊動方向分別向北和向南，是因為這種磁性細菌是一種厭氧性細菌，這樣沿地球磁場遊動都正好離開海洋表面而游向少氧的海面下，而且在這樣海面下也正是養料較為豐富的區域。不過這些解釋是還需要進一步的觀察、實驗和研究的。
