紅外光譜

[拼音]：shengwudian

[英文]：bioelectricity

主要是指生物體中所產生的電現象，也包括外界電因素對生命活動的作用。在生物體中廣泛存在著各種電現象，從單個細胞直到人和其他高等動物的神經、肌肉、骨骼以及重要器官都發現有電壓和電流的產生及傳播等生物電活動。許多生物組織的功能，例如神經中資訊的傳遞和肌肉的收縮，主要是由於電的活動。一般動物組織中的電活動比較微弱，能被測出的電壓只有數十微伏至數十毫伏。但是某些魚類可產生很高的電壓，如電鰻能產生的電壓高達600～1000V（伏特），可用來擊傷捕食物件，但這類動物為數不多。能引起生物反應的電流也在微安至毫安的數量級，如果把數百伏以上的電壓或安培級的電流引入生物體將會引起生物組織不可逆的損害。這種現象就是電擊或觸電。

細胞的電活動

生物電的產生和活動，主要發生在細胞水平上。細胞是由蛋白質和類脂所組成的細胞膜包容著細胞內液和其他細胞構成，而整個活的細胞又浸在細胞外液之中。外液和內液之間通過細胞膜不斷進行物質的輸運，特別是液體中的各種離子進行有選擇性的主動交換。在靜息狀態下，細胞膜對各種離子的通透性不同，因此即使在中性溶液中，膜內外也存在著一個幾十毫伏的外正內負的極化電位差，這種電位差稱作靜息電位。當細胞受到超過一定閾值的外界因素刺激時，膜對離子的輸運機制發生突然變化，使得跨膜電位反向，變成外負內正，稱為膜的去極化。這個電位的變化可達百餘毫伏，稱作動作電位。這就是細胞的電興奮。細胞的電興奮有幾個特點：

（1）按全或無定律，即或者是靜息電位，或者是動作電位，沒有兩者之間的中間狀態。

（2）細胞的電興奮可從一個區域開始，緩慢地向四周傳播。

（3）這種細胞的電興奮在一段時間（約幾十毫秒）後可自動回覆到靜止狀態，稱作膜的復極化。研究細胞電活動的學科稱作電生理學，它是研究一切生物電現象的基礎。

神經的脈衝傳導

神經細胞有一根由細胞體內伸出的細管，稱作軸突，也稱為神經纖維。軸突由細胞膜包圍著細胞內液構成。神經細胞膜上的興奮區（即外負內正的去極化區）將從近端向軸突的遠端傳播。由於軸突的細胞膜有可通過離子的電導，也有膜兩側之間的電容，類似一根電纜。因此，A.霍奇金和A.赫胥黎把這個現象類比於脈衝在長傳輸線上的傳輸，得出了和電報方程相似的方程式，從而定量地描述了神經興奮傳播所具有的電脈衝傳輸的性質，被稱為神經傳導的電纜理論。在神經纖維中電興奮的傳播速度因軸突的直徑（由幾微米至幾十微米）而異，較細的軸突傳播電興奮的速度較慢（約在幾米每秒的數量級）。從空間來看，生物體是一個容積導體。興奮的傳播可以看做是一對電偶極子沿著軸突向前移動。這個模型是在體表上能測量到生物電現象的理論基礎。

神經細胞之間資訊的傳遞是：電興奮由軸突端點上的細胞膜，經過間隙傳到另一細胞的膜上。這兩層細胞膜之間有特殊的化學物質來傳遞細胞的電興奮，稱作神經遞質。

肌肉等的電活動

由中樞神經傳來的電活動經過神經-肌肉接頭 (即終極)傳到由肌肉細胞所組成的肌纖維，引起肌肉的收縮。肌細胞也是可興奮細胞，在肌肉收縮的過程中也伴隨著細胞膜上的電活動。由於細胞興奮的電活動是脈衝性質的，所以可測量到的肌肉電活動是一串脈衝，脈衝的頻率愈高時，肌肉收縮愈強烈。中樞神經傳來的電刺激也可以引起唾液腺和各種內分泌腺等腺體的分泌以及其他生理功能。

生物電的醫學應用

生物電的研究成果已被廣泛地應用到臨床醫學，其中最常見的是心電圖。心臟在收縮和舒張時，可以看成是許多電偶極子在排列方向上和時間上的同步活動。這樣就可以從人體的體表上測得1～2mV的電位變化，它是人體能產生的最強的電訊號。心電訊號依時間變化的記錄就是心電圖。從圖形上可以診斷多種心臟的疾病。如在時間和空間上多方位地記錄心電訊號，再經過計算機綜合，還可以確定病患的部位。其他已經普遍使用的有關診斷技術有腦電圖、肌電圖、眼電圖（視網膜電圖）、耳蝸電圖、胃電圖等，不過這些器官的電活動在體表上所能測得的電位變化都比心電圖要小得多，只有微伏到幾十微伏數量級。而且常易被種種噪聲所掩蓋，所以要用靈敏的檢測儀器以及先進的訊號處理技術來提取有用的資訊。

由於動作電位在人體容積導體中產生電流的同時也產生相應的磁場，因此可在體外檢測磁場的微弱變化。心磁圖、腦磁圖等技術正在發展中（見生物磁學）。

利用生物電現象還可以治療某些神經和肌肉的疾病。如心臟中神經和肌肉的傳導有阻礙時，可以用電脈衝發生器來直接刺激心肌以代替心臟原來的機能，這就是心臟起搏器。又如，用可控的脈衝刺激可以控制膀胱排尿、癱瘓肢體的運動等。甚至可以用電脈衝來抑制疼痛。這些應用都基於可興奮細胞的電活動原理。

電魚的產電機制

電魚的產電器官也是由細胞組成的，這些細胞的電活動是由於膜電位變化(150mV) 引起的。不過產電器官的細胞是扁平狀的，而且刺激它的訊號僅到達細胞一個面的膜上，所以去極化僅發生在這個面上，而另一面並不興奮。產電器官是由許多片同樣的細胞疊成，它們可以在同一時間上興奮，其結構類似片狀的串聯疊層電池。由於疊層的細胞數量很大，因而產電器官所產生的放電電壓可以高達600V 至1000V。這種細胞堆也可以有很多組並聯以供應高達1A的放電電流。

感受器的電活動

有機體都有感知四周環境的能力，由一類稱作感受器的神經細胞來感知。這種感受器細胞分佈於體表或需要感知的部位。各種感受器細胞的功能無例外的都是把感受的結果轉化成電脈衝，由軸突（上行神經纖維）傳到中樞神經系統。在神經纖維中傳播的是編碼形式的脈衝串。一般脈衝頻率愈高代表訊號愈強。感受器的靈敏度都有自適應的效能，所以能有極大的動態範圍，可以適應高達萬倍的訊號變化。

在較低等的動物中發現有能直接感知電磁場的感受器。某些魚類可以感知水中微弱到 1.0×10-6V/m的電場。並據此確定迴游的路線和方向。有些魚類可以自己產生電流場並感知這個場所受的外界影響，以此來導航。某些鳥類有對地磁場的靈敏感受器並以此來作遠端導航。據某些研究，有些品種的昆蟲也能發出並接受電訊號來尋找同類和確定環境資訊。

生物體的壓電效應

在生物體中除了以細胞膜為主的電活動外，在一些有彈性的物質中還存在著另一種電的活動，它們的性質是壓電效應或者是駐極體的效應。這種現象主要在骨骼、牙齒、軟骨、肌腱、血管壁甚至在由大核酸分子構成的生物膜上觀察到。固體或粘滯性物質具有粘彈性體的性質。研究這種物質的應力和應變關係，稱為流變學。在這方面近年來研究發現了許多有關的電現象，形成了一門電生物流變學。其中最突出的是骨和軟骨的壓電效應。它的壓電係數相當大，可達0.2×10-12C/N。應力和電極化之間有很好的線性關係且方向一致。有些研究還觀察到在拉伸和壓縮的應力之下，在每一小的骨單元(直徑約200μm)表面能出現 ±2V的電壓，並且也能出現逆壓電效應。有人試用鯨魚的軟骨做成一個可以實用的唱片拾音器，可見壓電效應之強和穩定性之好。

電場對生物生長的影響

已觀察到微小的電流（例如1μA）長期地流過骨骼可以刺激骨的生長，甚至有用微小電流刺激可引起某些低等動物喪失肌體的再生能力的報道。也有實驗證明用高壓電係數的物體或駐極體埋藏於骨骼附近可以有效地刺激骨的新生。對這些現象的研究雖然剛開始，卻已經在醫學臨床上有了實際應用，如用電流刺激器來加速骨折的癒合和治療骨不連。進一步的研究認為骨的壓電現象和電流刺激骨的生長這兩個因素的結合可以完滿地解釋為什麼動物的骨骼生長正是在骨頭承受應力最強的部位，也能解釋缺少運動和失重狀態引起骨退化的原因。

在血管和腸管內皮層上膜的壓電現象所引起的表面電位，會影響管道中血液的流速分佈，並會影響某些物質如血球和脂質等物質在血管表面附著和沉積。進一步的研究有可能成為解釋血栓形成或動脈粥樣硬化的成因，從而可能開創治療這些疾病的新途徑。