磁场对生物体作用的实验设计研究.doc

磁场对生物体作用的实验设计研究贺潇蒙（哈尔滨医科大学08药，黑龙江 哈尔滨 300161）内容摘要：本文提出了物理生命的概念，因此使生物体与磁场的作用变得更加顺理成章。通过实验方法和测量方法的设计，培养学生的观察能力、创新思维能力和跨学科综合能力，提高专业素养。关键词：磁场 物理生命 趋磁细菌 果蝇磁场生物学效应已经成为医用物理学研究的重要课题。电和磁是一个物体的两个方面，是相伴产生的。1786年著名的“蛙腿实验”第一次揭示了生物电的存在，被称为伽伐尼效应。生物电的存在就预示了存在着生物磁。但是磁又有区别于电的神秘性，比如，由于生物体为导体，可以屏蔽电场，但不可以屏蔽磁场，因此磁场的作用将更显著；再比如地球固有存在着磁场，所有生物与生俱来沁浸在地磁场中，有天然的适应性；再比如电荷移动，产生磁场，磁荷移动，应该产生电场。但是磁荷是什么？人们还没有发现，更别说磁流了！近代科学发现，鸽子头颅骨和喙部嵌有一些细微的天然磁铁，它们起导航作用。科学家还发现了趋磁细菌，趋次细菌是有磁性的微生物，它们体内含有一个或几个由纯磁性物质构成的立方形磁体，它们可以借助自身的鞭毛沿着与磁力线平行的方向运动，目前关于趋磁细菌的研究越来越多。因此磁场和生物体是一对天然的关系。1 磁场与生物体的作用1831年法拉第发明了电磁感应定律以后很长时间，人们都以为磁场只对磁导体才能发生作用。1845年法拉第把一块玻璃放在磁场中，发现了磁致旋光效应，第一次揭示了磁与光的关系。紧接着他又分别把玻璃棒、木棒、面包、牛排用细线悬挂到强磁场中，他发现这些东西无一例外的对磁场发生作用，都一动不动的停止在与磁力线垂直的方向上。他预测任何物质都有抗磁性，他甚至想把他的夫人放入磁场中，由于没有那么大的磁铁，实验没有做成。1.1 磁场对生物体的物理作用麦克斯韦有两个重要的电磁学方程：第一个式子说明：在任何磁场中，磁场强度沿任何闭合曲线的线积分等于通过闭合曲线所包围面积内的全电流；第二个式子说明：在任何电场中，电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于通过此曲线所包围面积的磁通量对时间变化率的负值。这两个方程把电和磁系统地联系在一起。生命和非生命一样，都是由原子构成的，生物体内存在大量带电的电子、原子核或离子，因此所有生物都可以归结为物理生命，都受麦克斯韦电磁方程的影响。磁场对生物体的物理作用包括：生物体在磁场中运动时，产生感应电动势，使体液中的带电粒子漂移形成体电流，产生热效应；体液中带电粒子在外磁场中运动，受到洛仑兹力的作用，从而改变原来的运动方向，改变体内物质的重新分布；磁场对生物体、组织或细胞存在其他尚未发现的作用。1.2 磁场对生物体的化学作用磁场对生物体作用一段时间后，可引起生化反应速率降低、高分子的转动扩展减弱、改变和化学反应相关的键角、影响生物细胞的分裂和生长等效应。研究表明，磁场的强弱、方向、频率、均匀性、作用时间等都是影响生物效应的因素。比如相同的磁场，在不同生物层次上（分子的、细胞的、有机组织的、以及群体的）产生的生物效应并不相同。再比如强磁场抑制细菌生长，但是弱磁场在抑制某些细菌繁殖的同时，却可以加速某些藻类的繁殖生长。对人的影响，国际非电离辐射保护委员会对于职业暴露，建议不超过200 mT，最高限值为2 T，一般公众的连续暴露限值为40 mT。2 磁效应的医学应用人们已经发现人体存在着脑磁场、心磁场、肝磁场、肺磁场、眼磁场、肌磁场以及神经磁场等。利用这些已经发现和尚未发现的生物物理现象可以用于对疾病的诊断和治疗。2.1 诊断tB/10-11T如图所示是人体心脏电流产生的磁场随时间变化的曲线示意图，称为心磁图（MCG），它和心电图（ECG）一样可以提供心脏的许多信息。研究表明，MCG在某些方面优于ECG。例如对左心室肥厚和高血压病例，用ECG诊断正确率为14%20%，而用MCG诊断正确率却高达40%55%。另外，心磁图可以提供早期和小范围心肌梗死信息，心电图则不能。用脑磁图确定癫痫病人的病灶部位明显优于脑电图。通过肺磁图可以早期发现肺部粉尘污染的职业病等等。2.2 治疗 现在最常用的是磁疗，磁疗是磁场生物效应的医学应用。实践表明，磁疗具有活血化淤、消炎镇痛、安神降压的作用。磁疗对急性扭挫伤、肌肉劳损、关节炎及气管炎等多种疾病都有较好的疗效。磁疗还具有安全、无创伤、副作用小的优点。目前对于磁疗的适应症以及各种疾病的最佳磁场条件，甚至磁疗理论研究，还处于不断探索和实践中，这些将随着生物磁学的不断发展和完善而逐渐形成一门系统的科学。3磁场对生物体作用的实验设计研究设计本实验的依据有：所有生命和非生命一样，都是由原子构成的，而原子可以分解为带电的电子、原子核或离子，因此生命可以简化为物理生命；生物电导致生物磁，由于生物磁场的存在，外加磁场对生物体必然产生作用；生物磁很微弱，只有 T（特斯拉），地磁场为0.5×T，而一个稍大的电磁铁产生的磁场就可达到10-1T数量级，是地磁的上万倍，是生物磁的几十亿百亿到几千亿倍，且可连续变化，实验条件容易满足。【实验目的】（1）了解生物磁形成的物理原理。（2）掌握磁场与生物体作用的实验方法、测量方法和实验技术。（3）观察和掌握典型生物体在磁场中的生化反应。（4）培养探索精神，提高专业素养。【实验器材】交变磁场仪（可以根据需要自研）、实验器材、分析器材（可以送验）、数据处理软件、其他器材（自研）【实验任务】（1）测量试管离体血、果蝇、大肠杆菌三种样本进行实验。（2）撰写实验方案设计报告。（3）明确实验方案，确定实验条件，确定测量指标。（4）设计相应的实验方法和测量方法。【实验要求】（1）基本要求完成实验方案设计报告，要求实验目的明确，实验方法、测量方法科学合理。实验方案设计报告针对试管离体血、果蝇、大肠杆菌等三种样本，明确实验方案，确定实验条件，确定测量指标，设计相应的实验方法和测量方法，并阐明原因。（2）发挥部分根据确定的实验方案、实验条件和测量指标，就试管离体血、果蝇、大肠杆菌三种样本进行实际实验。实验设计中考虑频率、强度、时间的变化，总结出相关的生物效应。对相关实验效应从细胞、分子及DNA水平层面进行研究探讨。鼓励实验对象、实验指标、实验方法、测量方法上有所创新。【实验说明】（1）本文的前两部分为深度阅读内容，撰写实验方案设计报告以前应系统查阅相关知识。（2）实验方案设计报告的自研实验器材要说明实验原理，附有原理图。（3）对于每一个测量样本都要说明所采用的实验方法和测量方法。（4）作为参考磁场对人体离血淋巴细胞、中性粒细胞和单核细胞，磁场对带重组质粒大肠杆菌生化特性及质粒DNA的影响，磁场对果蝇不同发育阶段的影响等都有了一定的研究结论。4 结束语本实验是作者学习医用物理学课程的一点启示，可以作为本科生创新实验活动的课题，也可以作为相关方向硕士研究生的研究课题。参考文献：1.王鸿儒，物理学（药学专业用）第三版，人民卫生出版社，1998年6月2.洪洋 俞航，医用物理学学习指导，高等教育出版社，2008年5月3.王斯刚 席晓莉 文峻，CXLY-型极低频脉冲磁场发生仪的研制，中国医学物理杂志，1998.15（5）P161-1624. 席晓莉 文峻 王斯刚，极低频脉冲磁场对小鼠学习记忆能力的影响，第四军医大学学报，1998.19（2）P214-215作者简介：贺潇蒙，女，党员，1990年3月出生，哈尔滨医科大学08药学专业学生，电话13039978337Experimental designing researchfor the magnetic field effect on organismHE Xiao-meng(College of Pharmacy, Harbin Medical University, Harbin 150086, China)Abstract: This paper proposes the concept of physical life which makes the magnetic field effect on organism logical. Through designing for measuring method and experimental method, student can enhance their observation skills, creative thinking ability, comprehensive abilities of interdiscipline and professional quality .Key words: Magnetic field, physical life, magnetotactic bacteria, drosophila4