基本介紹
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簡介
生物電學又稱電生物學。研究電場和生物特性間相互聯繫和相互影響的生物物理學的分支學科。生物體因膜電位而產生電現象(生物電)。農業生物學中生物電學主要研究生物的電性，不同靜電場對生物的影響以及靜電場的農業生物學套用。電場處理作物種子可以提高其電導率、透射率，對發芽勢、發芽率、幼苗生長和活力指數等均有促進作用，強場處理則有抑制作用;電場處理果樹花粉可提高花粉代謝活力而促進花粉的萌發率和花粉管的生長量;人工授粉過程中套用電助授粉裝置進行電刺激可提高自交結實率，克服自交不親和性;套用電場處理幼苗及其胚胎能顯著加快胚胎髮育和後期的生長發育。
分類
生物電化學
生物體系是一個十分複雜的體系。各種生物組分的分子量相差極大，而許多組分的含量極微。此外，不少生物組分沒有電化學活性；蛋白質等大分子化合物由於吸附作用對測定產生干擾等。所有這些因素，對電分析化學方法都是極為不利的。儘管如此，電分析化學方法在生物體系的研究中已經取得了可喜的成果。生物電分析化學的研究內容和方法都是非常豐富的。現有的各種電分析化學技術，在生物體系的研究中都是有用的。不過，將生物學中的一些方法（如免疫法、酶技術等）與電化學結合起來，對於解決生物電分析化學中的問題，可能是更為有效的途徑。
生物電磁學
其意義在開發電磁能在醫學、生物學方面的套用以及對電磁環境進行評價和防護。生物電磁學與工程電磁場與微波技術的不同主要體現於：
1、後者的作用對象是具有個體差異的生命物質；
2、後者的作用對象是根據人為需要而選取並加工的電磁媒質或單元而前者的作用要讓測量系統服從於作用對象。
生物電磁學的研究內容主要設計五個方面：
1、電磁場（波）的生物學效應，研究在電磁場（波）作用下生物系統產生了什麼；
2、生物學效應機理，研究在電磁場（波）作用下為什麼會產生什麼；
3、生物電磁劑量學，研究在什麼條件下會產生什麼；
4、生物組織的電磁特性，研究在電磁場（波）作用下產生什麼的生物學本質；
5、生物學效應的作用，研究產生的效應做什麼和如何做。
生物電
性質
動物的組織或器官，在發生應激性反應的情況下，也會出現電變化。它的大小與極性決定於組成該組織的細胞興奮時所產生的電場的矢量總和。如眼睛受光照刺激時，可記錄到眼球的前端與後面之間的電位差變化，稱為視網膜電圖。它的波形很複雜，系由光刺激使感受細胞產生感受器電位，並相繼引起視網膜中其他細胞產生興奮與電位變化。由於這些電變化的電場方向不一致，因此，視網膜電圖示志的是這些細胞的產生的電場的矢量總和。不同的動物，由於視網膜的結構不同，產生的視網膜電圖也不同，同時光照程度、時間等因素也會影響視網膜電圖的波形。
生物有機體是一個導電性的容積導體。當一些細胞或組織上發生電變化時，將在這容積導體內產生電場。因此在電場的不同部位中可引導出電場的電位變化，而且其大小與波形各不相同。例如，心電圖就是心臟細胞活動時產生的複雜電位變化的矢量總和。隨引導電極部位不同，記錄的波形不一樣，所反映的生理意義也不同。另外，高等動物中樞神經系統中所產生的電場，在人或動物的頭皮上，無論靜息狀態或活動狀態時，都有“自發”的節律性電位波動，稱為腦電波。它是腦內大量的神經細胞活動時所產生的電場的總和表現。在靜息狀態時，電位變化幅度較高，而波動的頻率較低。當興奮活動時，由於腦內各神經元的活動步調不一致（趨於異步化），總合電位就較低，而波動的頻率較高。當接受外界的某種特定刺激時，總和電場比較強大，因此，可以記錄到一個顯著的電位變化。因為這種電位變化是由外界刺激誘發而產生的，所以稱為誘發電位。
學說發展
企圖用一種學說去解釋各種生物體中所出現的各種不同的電現象是不可能的。不過，在動物體上，特別是在神經系統或肌肉系統中所發生的各種電現象，基本上可以用A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎提出的離子學說，從細胞水平加以解釋。
離子學說是在J.伯恩斯坦(1902)提出的膜學說的基礎上發展而成的。離子學說認為，神經或肌肉的細胞膜，對不同的離子具有不同程度的通透性。又由於細胞內的各種離子濃度，特別是鉀離子、鈉離子和氯離子，與細胞外液中的濃度不同，因此，在細胞膜內外兩側間就會產生電位差（根據F.G.唐南氏平衡原理）即膜電位。這是靜息電位的基礎。在不同的生理條件下，細胞膜對各種離子的通透性將發生變化，因此膜電位也即發生改變，即形成各種形式的動作電位。例如，在靜息狀態下，神經或肌肉細胞的細胞膜對鉀離子具有較大的通透性，而細胞內的鉀離子濃度高於細胞外的濃度幾十倍，因而形成幾十毫伏的膜外較膜內正的靜息膜電位。當改變細胞外（或細胞內）的鉀離子濃度時，靜息膜電位將按能斯脫(Nernst)公式的關係，發生相應的改變。這就證明了靜息膜電位決定於細胞內外鉀離子濃度的觀點。有些植物細胞的靜息膜電位，也是由細胞內外鉀離子的濃度所決定的。當神經或肌肉細胞發生興奮時，細胞膜對各種離子的通透性發生了變化，即對鈉離子的通透性突然增大，並在各種離子的通滲性中占優勢地位。因此在這瞬間內，膜電位的大小與極性，主要決定於細胞膜內外的鈉離子濃度。由於細胞外的鈉離子濃度較細胞內高，因此，在短時間內膜電位突然由膜外較膜內正變為膜內較膜外正，即出現反極化現象。此時電位變化的幅度（去極化後再成反極化）可達100毫伏以上，這就是動作電位。但這時仍有不同於靜息狀態下的膜電位，稱為動作膜電位。
動作電位所在的區域，即興奮衝動所在的區域，會迅速地向前傳導。興奮衝動在某一區域出現的時間極短，只有幾毫秒。當興奮衝動過去以後，這一區域的膜電位又逐漸恢復到原來的靜息狀態，即恢復靜息膜電位。
在不同的細胞上，甚至在同一個細胞的不同區域的細胞膜上所發生的通透性變化並不完全一致。例如，脊椎動物視網膜中的視細胞，在受光照刺激時所產生的反應是膜電位升高（超極化）。但是，無脊椎動物視網膜中的視細胞，受光照刺激時所產生的反應是膜電位降低（去極化）。又如，在同一個脊髓運動神經元軸突的膜上，興奮時所表現的是去極化甚至反極化反應。但在同一個運動神經元的興奮性突觸後膜上，當接受另一個神經元的神經末梢釋放的興奮性遞質時，雖然也產生去極化反應，但這時所發生的離子通透性變化卻與軸突上所發生的不同。興奮性突觸下膜興奮時，對鈉離子的通透性不是單獨的突然增加，而是對各種離子的通透性普遍地增加，所以它並不出現反極化（膜內較膜外正）的狀態。在同一個運動神經元的抑制性突觸後膜上，當接受另一個神經元的神經末梢釋放的抑制性遞質作用時，情況另是一樣。抑制性突觸下膜興奮時對鉀離子與氯離子的通透性增高，使膜電位超極化，則膜外更正於膜內。可見不同的細胞，甚至同一細胞的不同區域的細胞膜，在興奮時所產生的膜電位變化是不相同的。
在組織或器官上發生的生物電現象，大多數是個別細胞所產生的生物電的矢量總和，所以對它的發生機制同樣可以用離子學說去解釋。但有些生物電變化的時間過程極緩慢，如光合作用時所產生的電變化與細胞的代謝活動有密切聯繫，即是一種生物電化學電位。在大腦皮層上還可以檢測出一些極緩慢的電位波動，有的在1分鐘內波動幾次，有的幾分鐘甚至幾十分鐘才有明顯的變化。這種電位與快速的神經細胞興奮活動不同，也可能是一種由代謝活動所引起的或與神經膠質細胞活動有關的生物電化學現象。
意義
電魚能在瞬間放出高壓電，所以既有防禦獵食者侵犯的作用；也可用這種電擊捕獲小動物。另有一些電魚，如非洲的裸背鰻魚類，能不斷地釋放微弱的電脈衝，起探測作用或導向作用。生物電更普遍的意義在於信息的轉換、傳導、傳遞與編碼。生物體要維持生命活動，必須適應周圍環境的變化。由於環境變化的因素與形式複雜多變，如變化的光照、聲音、熱、機械作用等等，因此生物有機體必須將各種不同的刺激動因快速轉變成為同一種表現形式的信息，即神經衝動，並經過傳導、傳遞和分析綜合，及時作出應有的反應。高等動物具有各種分工精細的感受器。每種感受器一般只能感受某種特殊性質的刺激。感受器中的感覺細胞接受刺激時會發生感受器電位，並用它來啟動神經組織，產生動作電位。因此，不同的刺激動因都變成了同一形式的神經衝動。神經衝動是“全或無”性質的，即“通”、“斷”形式的信息。神經衝動用頻率變化形式，傳遞信息到中樞神經系統。中樞神經系統對信息進行分析、綜合、編碼，並將同時作出的反應信息以神經衝動形式傳向外周效應器官。動作電位的傳導極為迅速，所以生物體能及時對周圍環境變化，作出迅速的反應。這一系列的信息傳遞都是以發生各種形式的生物電變化來完成的。
套用
生物體內廣泛、繁雜的電現象是正常生理活動的反映，在一定條件下，從統計意義上說生物電是有規律的：一定的生理過程，對應著一定的電反應。因此，依據生物電的變化可以推知生理過程是否處於正常狀態，如心電圖、腦電圖、肌電圖等生物電信息的檢測等。反之，當把一定強度、頻率的電信號輸到特定的組織部位，則又可以影響其生理狀態，如用“心臟起搏器”可使一時失控的心臟恢復其正常節律活動。套用腦的電刺激術（EBS）可醫治某些腦疾患。在頸動脈設定血壓調節器，則可調節病人的血壓。“機械手”、人造肢體等都是利用肌電實現隨意動作的人－機系統。宇航中採用的“生物太陽電池”就是利用細菌生命過程中轉換的電能，提供了比矽電池效率高得多的能源。可以預見生物電在醫學、仿生、信息控制、能源等領域將會不斷開發其套用範圍。
