第一章 信息傳遞需要電

第一章   信息傳遞需要電

 

     身體皮膚的觸覺、痛覺、膚覺、動覺感受器感受的痛、麻、癢、酸等信息都是存在於皮膚表麵，視覺、聽覺、味覺、嗅覺所有感受的信息都在頭部表麵，它們信息是如何傳遞給大腦的呢？大腦、中樞神經的信息是如何傳遞給骨骼肌和內髒的呢？這需要人體內的電能傳遞。就如：電話、智能手機、互聯網等傳遞工具一樣，信息傳遞離不開電，身體內信息的傳遞也需要電。

 

第一節   生命的標誌——生物電

 

    大自然的傑作是用了數十億年的時間創造了生命。令人驚歎不已的是，大到可以觸摸到的複雜人體結構，小到隻有借助電子顯微鏡才可以見到的細胞，無論生命的大小，都是一台完整、獨立的工作機器, 即使一個微小的生命實體------細胞也可以說是一個獨立王國！它可以同外界協調、配合得最好的各種器官和信息交換係統。實際上，人體就是由細胞排列組合成的、世界上最精密複雜的機器！這台機器有著不可思議的神奇功能，它能夠把無序的原子高度精密、高度有序地排列在一起，比如DNA雙螺旋的完美結構，還有150億個細胞竟然十分精確的組成了人體信息調控中心-----大腦！我們很難想象出來，大自然是如何創造出來這樣多的生命奇跡！

     我們常常見到的向日葵，它們的花朵能隨著太陽的東升西落而運動；含羞草的葉子，經不起輕擾，一碰就會低眉垂頭害起羞來。這些植物界中的自然現象，都是因為生物電在起作用的緣故。我們雙眸微啟，一個五彩繽紛的世界便活靈活現地映現在“我”的腦海中；洗耳諦聽，萬籟之聲便可盡入胸底；靈府輕運，無限的智慧火花便會頻頻閃現，創造出無窮無盡的人間奇跡。當“我”清醒地思維著的時候，世界是真實地存在著的，當“我”潛隱於無時，世界仿佛也已不複存在。誰在主宰著生命？誰在決定、控製著生命的過程？誰在決定著人的健康壽夭，生老病死？當你欲擁抱你的愛侶時，是誰發出和傳遞了這些指令？是那些細胞和器官嗎？不，現代生理學已闡明，發出和傳遞這些信息的，是你的生物電係統——包括以生物電為物質基礎的大腦意識、思維和以生物電為載體的神經脈衝。

     人體產生的生物電是大小和方向都不斷變化的交流電，如果體內生物電消失了，生命現象也就終結了。活人與死人的根本差別，就在於是否具有這樣的生物電係統，而不在於組織、器官等等是否完好。所以生命特征是以生物電為基礎的信息處理係統——包括信息的攝入（感官感知）、處理（大腦思維）、存儲（記憶）、輸出（言語、肢體動作等等）。

    到了1758年，英國科學家卡文迪許開始著手探究上述治病方法的奧秘。他把大墨魚埋在潮濕沙灘裏，上麵接一萊頓瓶，結果萊頓瓶發出火花，由此證明大黑魚放出的是電，卡文迪許證明電鱝放電不久，意大利科學家加伐尼在1791年發現在青蛙肌肉中也蘊藏著電能，他把這種電稱為“生物電”。這便是生物電名字的由來。

一切活細胞無論處於安靜狀態或活動狀態都存在電活動，這種電活動稱為生物電。生物電現象是一種普遍存在又十分重要的生命現象。

 

第二節 生物電的原理

 

     生物神經信號是低頻微弱信號，其能量譜主要在400Hz-10KHz頻段，信號源內阻5KΩ-30 KΩ。生物電現象是指生物機體在進行生理活動時所顯示出的電現象，這種現象是普遍存在的。細胞膜內外都存在著電位差，當某些細胞興奮時，可以產生動作電位，並沿細胞膜傳播出去。

    電在生物體內普遍存在。生物學家認為，組成生物體的每個細胞都是一台微型發電機。細胞膜內外帶有相反的電荷，膜外帶正電荷，膜內帶負電荷，膜內外的鉀、鈉離子的不均勻分布是產生細胞生物電的基礎。
      19世紀，科學家用電位器測得神經細胞膜突然受到刺激產生0.1伏特電。生物電來源於線粒體內的氧化反應,線粒體是氧化電池。生物的每個細胞都有完整的細胞膜，細胞膜有兩層脂肪分子，細胞內帶電離子必須通過離子通道才能穿過細胞膜。在平時，細胞內鉀離子多，細胞外溶液中鈉離子多，細胞內外產生電勢差，這就是膜電位。一旦細胞膜通道打開，細胞外高濃度溶液流向細胞內，就產生動作電位。一個個肌肉細胞排列整齊，上麵布滿神經，這就像把一個個小電池串聯起來那樣，雖然每個電池隻有0.1伏特，如果有億萬個這樣小電池的話，那麽它的電壓就不小了。這就是有些生物的生物電有那麽高電壓的原因。

    一個活細胞，不論是興奮狀態，還是安靜狀態，它們都不斷地發生電荷的變化，科學家們將這種現象稱為“生物電現象”。

     一、靜息電位和動作電位

     (一)靜息電位 是指安靜狀態時，細胞內外存在的電位差。用電生理儀檢測細胞的電變化，當把電極A和B均放在細胞膜的外表麵或均插入到細胞內時，示波器熒光屏上的光點沒有上下移動，這說明細胞膜外表麵或細胞內任意兩點間沒有電流流動，即不存在電位差。但是當把電極A仍放在細胞膜外表麵而把電極B插入細胞內時，就在電極B插入細胞的瞬間，熒光屏上的光點立即向下移動，並停留在一個恒定的電位值上，這一重要現象說明：(1)細胞內和細胞外之間存在著電位差，又稱跨膜電位簡稱膜電位。(2)細胞外電位高於細胞內電位，即膜外相對為正而膜內相對為負的特殊狀態。(3)這種電位差值相對恒定。一般是以細胞內的電位值來表示靜息電位，所以它是一個負值。如果以膜外電位為零，哺乳動物的神經和肌肉細胞的靜息電位為-70～-90mV。

     靜息狀態時膜兩側電位保持的內負外正狀態稱為極化;當靜息電位的數值增大時，稱作膜的超極化;當靜息電位的數值減小時，稱作膜的去極化或除極化;去極化後膜電位向正常極化狀態恢複的過程叫做複極化。

     (二)動作電位 當可興奮細胞受到閾刺激或閾上刺激時，在靜息電位的基礎上，膜電位發生一次快速、可逆、擴布性的變化，稱為動作電位。動作電位是細胞興奮的標誌。

    在示波器記錄的圖象中，動作電位包括上升支和下降支。細胞受刺激時，膜內電位迅速由-90mV變為+30mV，膜電位變化的幅度達120mV。從而構成了動作電位的上升支。從0mV到+30mV的一段反極化狀態，又稱超射。然後膜內電位迅速下降，直到恢複為靜息時的負電位水平，這樣構成了動作電位的下降支。由上升支和下降支的快速變化形成尖鋒樣波形，稱為鋒電位。鋒電位之後膜電位經曆微小而緩慢的波動，稱為後電位，然後才完全恢複到靜息電位水平。

    二、靜息電位和動作電位形成的原理

    (一)靜息電位的形成

     細胞在生理靜息狀態時，細胞膜內的K⁺濃度高於膜外，而細胞膜對K⁺的通透性較大，於是K⁺順濃度梯度由細胞膜內向膜外擴散，膜內主要的帶負電的蛋白離子不能通過而被阻於膜內側。這樣，細胞膜外有了過量的正離子而膜內積聚了大量的負離子，形成了膜內為負、膜外為正的跨膜電位差。該電位差形成的電場阻礙K⁺繼續外流，與K⁺的濃度梯度的作用力相反。隨著K⁺的外移，電位梯度相應增大，阻礙K⁺外流的電場力亦相應增大。當上述兩種相反的力達到平衡時膜內外不再有K⁺的淨移動，跨膜電位差也保持在相對恒定的水平，形成靜息電位。簡言之，靜息電位決定於K⁺的電—化學平衡電位。

     (二)動作電位的形成機製

     動作電位形成的原理比靜息電位複雜，為了敘述方便，分別論述動作電位的上升支和下降支產生的機製。

     1.動作電位的上升支(除極過程) 動作電位的除極過程主要是Na⁺內流形成的。當細胞受到刺激時，膜電位逐漸減小，當膜電位減小到某一臨界值時，膜上的電位依從式Na⁺通道被激活而開放，膜對Na⁺的通透性突然增大。由於細胞膜外Na⁺濃度高於膜內，跨膜電位梯度和Na⁺的濃度梯度使Na⁺迅速內流，從而使膜迅速去極化，膜內電位急劇升高到+20～+40mV，這一過程構成動作電位的上升支。這個使Na⁺通道大量激活開放的臨界膜電位值，稱為閾電位。

     當膜電位變成正值時，跨膜電位的電場阻礙了Na⁺內流。當Na⁺的跨膜濃度與阻礙Na⁺內流的電位梯度兩種拮抗力平衡時，Na⁺的跨膜淨轉移停止，動作電位達到峰值。由此可見，動作電位的去極化過程是Na⁺迅速內流的結果，動作電位的峰值，相當於Na⁺內流形成的電—化學平衡電位。

    2.動作電位的下降支(複極化過程) Na⁺通道開放的時間極短，很快失活關閉，與此同時對K⁺的通透性增大，K⁺迅速外流直至恢複到靜息電位水平。

    在一次動作電位過程中K⁺外流和Na⁺內流，使K⁺和Na⁺跨膜濃度梯度變小。膜內Na⁺濃度和膜外K⁺濃度增加使鈉泵加速運轉，將動作電位過程中內流的Na⁺和外流的K⁺分別泵出或泵入細胞，從而使Na⁺和K⁺的跨膜濃度差恢複到靜息狀態時水平。

    動作電位的特點是具有“全”或“無”現象。對於同一細胞，隻有刺激達到閾值才產生動作電位，其幅度和波形就不再隨刺激強度的增加而增加;並且動作電位在刺激部位產生後，即沿細胞膜向周圍傳播，直至傳遍整個細胞。在細胞各部位都可記錄到同樣大小和波形的動作電位。這種在同一細胞上動作電位的大小不隨刺激強度和傳導距離而改變的現象，稱為“全或無”現象。

     從電生理學的角度看，細胞膜的去極化達不到閾電位水平，就不能產生動作電位。閾刺激一定使膜去極化達閾電位水平而產生動作電位。閾下刺激雖不能引起細胞膜產生動作電位，但是能使細胞膜對Na⁺的通透性有所增加，引起少量Na⁺內流，產生微弱的去極化，隻是膜的去極化不能達到閾電位水平，因此不能產生動作電位。這種閾下刺激引起的膜電位的變化隻發生在受刺激的局部範圍，而不能傳向遠處，稱為局部反應或局部興奮。其特點：(1)局部反應沒有“全或無”現象，它隨刺激強度的增大而增大;(2)可以發生總和現象，有兩種情況：如果在第一次閥下刺激引起的局部反應未消失以前，緊接著給予第二次閥下刺激，前後兩個刺激引起的局部反應疊加起來，使膜去極化達到閾電位水平而爆發動作電位，這稱為時間性總和;如果在細胞膜上相鄰部位同時給予兩個閾下刺激，這兩個閥下刺激引起的局部反應也可以疊加起來而使細胞膜產生動作電位，這稱為空間總和。(3)局部興奮不能遠距離傳導，但可使與它鄰近的細胞膜出現輕度去極化，這種變化隨著與局部興奮發生位點的距離增大而迅速減小以至消失，局部興奮這種形式的擴張，稱為電緊張性擴張。

 

第三節    生物電與電的區別

 

     一、參與生物電活動的電子與形成電學交流的電子荷能不同。形成電學電流的電子荷能為5個單位;參與生物電活動的電子荷能為2～3個單位。因此,二者的電阻、電容、電感的情形都不同,用電器和能量轉換都與電學有差異。用電學儀表測量生物電，即使是極靈敏的儀表,也不準確,這給生物電研究帶來了困難。

    二、生物電有多頻譜、多層次、多源性的廣泛混頻,頻帶極寬,占滿了從心頻到紅外頻譜的廣泛領域。頻次、波形與生化反應、生物效益有明顯的對應關係。

     三、電學電流中的電子呈環路流動,有強的物理效應;生物電電子以靜電形式呈環節性移動，有明顯的化學效應。

     四、生物電有特有的用電器，各種用電器的基本用點單位是生物分子;如蛋白質,視黃醛、電子傳導鏈、乙酰膽堿、兒茶酚胺……這些分子都以主鏈導電,有的還呈無阻尼狀態,尤其是螺旋蛋白,螺旋狀還有自感升壓作用。這些分子組成的能量轉換器，傳感器、導電器具……效率極高。人體的用電器具都是分子集成的。

    五、電學電流在回路中周流一次，隻通過一個用電器（並聯），做一次功；生物電運動到每個環節都做功，做多次功。

    六、電流中的電子在回路中均勻而快速流動；生物電電子在移動途中是變速的;在有些環節以電流形式移動;在有些環節中以靜電擴散形式移動;在另一些環節中又附著於攜帶體，以離子形式移動。