第一章 信息传递需要电

第一章   信息传递需要电

 

     身体皮肤的触觉、痛觉、肤觉、动觉感受器感受的痛、麻、痒、酸等信息都是存在于皮肤表面，视觉、听觉、味觉、嗅觉所有感受的信息都在头部表面，它们信息是如何传递给大脑的呢？大脑、中枢神经的信息是如何传递给骨骼肌和内脏的呢？这需要人体内的电能传递。就如：电话、智能手机、互联网等传递工具一样，信息传递离不开电，身体内信息的传递也需要电。

 

第一节   生命的标志——生物电

 

    大自然的杰作是用了数十亿年的时间创造了生命。令人惊叹不已的是，大到可以触摸到的复杂人体结构，小到只有借助电子显微镜才可以见到的细胞，无论生命的大小，都是一台完整、独立的工作机器, 即使一个微小的生命实体------细胞也可以说是一个独立王国！它可以同外界协调、配合得最好的各种器官和信息交换系统。实际上，人体就是由细胞排列组合成的、世界上最精密复杂的机器！这台机器有着不可思议的神奇功能，它能够把无序的原子高度精密、高度有序地排列在一起，比如DNA双螺旋的完美结构，还有150亿个细胞竟然十分精确的组成了人体信息调控中心-----大脑！我们很难想象出来，大自然是如何创造出来这样多的生命奇迹！

     我们常常见到的向日葵，它们的花朵能随着太阳的东升西落而运动；含羞草的叶子，经不起轻扰，一碰就会低眉垂头害起羞来。这些植物界中的自然现象，都是因为生物电在起作用的缘故。我们双眸微启，一个五彩缤纷的世界便活灵活现地映现在“我”的脑海中；洗耳谛听，万籁之声便可尽入胸底；灵府轻运，无限的智慧火花便会频频闪现，创造出无穷无尽的人间奇迹。当“我”清醒地思维着的时候，世界是真实地存在着的，当“我”潜隐于无时，世界仿佛也已不复存在。谁在主宰着生命？谁在决定、控制着生命的过程？谁在决定着人的健康寿夭，生老病死？当你欲拥抱你的爱侣时，是谁发出和传递了这些指令？是那些细胞和器官吗？不，现代生理学已阐明，发出和传递这些信息的，是你的生物电系统——包括以生物电为物质基础的大脑意识、思维和以生物电为载体的神经脉冲。

     人体产生的生物电是大小和方向都不断变化的交流电，如果体内生物电消失了，生命现象也就终结了。活人与死人的根本差别，就在于是否具有这样的生物电系统，而不在于组织、器官等等是否完好。所以生命特征是以生物电为基础的信息处理系统——包括信息的摄入（感官感知）、处理（大脑思维）、存储（记忆）、输出（言语、肢体动作等等）。

    到了1758年，英国科学家卡文迪许开始着手探究上述治病方法的奥秘。他把大墨鱼埋在潮湿沙滩里，上面接一莱顿瓶，结果莱顿瓶发出火花，由此证明大黑鱼放出的是电，卡文迪许证明电鲼放电不久，意大利科学家加伐尼在1791年发现在青蛙肌肉中也蕴藏着电能，他把这种电称为“生物电”。这便是生物电名字的由来。

一切活细胞无论处于安静状态或活动状态都存在电活动，这种电活动称为生物电。生物电现象是一种普遍存在又十分重要的生命现象。

 

第二节 生物电的原理

 

     生物神经信号是低频微弱信号，其能量谱主要在400Hz-10KHz频段，信号源内阻5KΩ-30 KΩ。生物电现象是指生物机体在进行生理活动时所显示出的电现象，这种现象是普遍存在的。细胞膜内外都存在着电位差，当某些细胞兴奋时，可以产生动作电位，并沿细胞膜传播出去。

    电在生物体内普遍存在。生物学家认为，组成生物体的每个细胞都是一台微型发电机。细胞膜内外带有相反的电荷，膜外带正电荷，膜内带负电荷，膜内外的钾、钠离子的不均匀分布是产生细胞生物电的基础。
      19世纪，科学家用电位器测得神经细胞膜突然受到刺激产生0.1伏特电。生物电来源于线粒体内的氧化反应,线粒体是氧化电池。生物的每个细胞都有完整的细胞膜，细胞膜有两层脂肪分子，细胞内带电离子必须通过离子通道才能穿过细胞膜。在平时，细胞内钾离子多，细胞外溶液中钠离子多，细胞内外产生电势差，这就是膜电位。一旦细胞膜通道打开，细胞外高浓度溶液流向细胞内，就产生动作电位。一个个肌肉细胞排列整齐，上面布满神经，这就像把一个个小电池串联起来那样，虽然每个电池只有0.1伏特，如果有亿万个这样小电池的话，那么它的电压就不小了。这就是有些生物的生物电有那么高电压的原因。

    一个活细胞，不论是兴奋状态，还是安静状态，它们都不断地发生电荷的变化，科学家们将这种现象称为“生物电现象”。

     一、静息电位和动作电位

     (一)静息电位 是指安静状态时，细胞内外存在的电位差。用电生理仪检测细胞的电变化，当把电极A和B均放在细胞膜的外表面或均插入到细胞内时，示波器荧光屏上的光点没有上下移动，这说明细胞膜外表面或细胞内任意两点间没有电流流动，即不存在电位差。但是当把电极A仍放在细胞膜外表面而把电极B插入细胞内时，就在电极B插入细胞的瞬间，荧光屏上的光点立即向下移动，并停留在一个恒定的电位值上，这一重要现象说明：(1)细胞内和细胞外之间存在着电位差，又称跨膜电位简称膜电位。(2)细胞外电位高于细胞内电位，即膜外相对为正而膜内相对为负的特殊状态。(3)这种电位差值相对恒定。一般是以细胞内的电位值来表示静息电位，所以它是一个负值。如果以膜外电位为零，哺乳动物的神经和肌肉细胞的静息电位为-70～-90mV。

     静息状态时膜两侧电位保持的内负外正状态称为极化;当静息电位的数值增大时，称作膜的超极化;当静息电位的数值减小时，称作膜的去极化或除极化;去极化后膜电位向正常极化状态恢复的过程叫做复极化。

     (二)动作电位 当可兴奋细胞受到阈刺激或阈上刺激时，在静息电位的基础上，膜电位发生一次快速、可逆、扩布性的变化，称为动作电位。动作电位是细胞兴奋的标志。

    在示波器记录的图象中，动作电位包括上升支和下降支。细胞受刺激时，膜内电位迅速由-90mV变为+30mV，膜电位变化的幅度达120mV。从而构成了动作电位的上升支。从0mV到+30mV的一段反极化状态，又称超射。然后膜内电位迅速下降，直到恢复为静息时的负电位水平，这样构成了动作电位的下降支。由上升支和下降支的快速变化形成尖锋样波形，称为锋电位。锋电位之后膜电位经历微小而缓慢的波动，称为后电位，然后才完全恢复到静息电位水平。

    二、静息电位和动作电位形成的原理

    (一)静息电位的形成

     细胞在生理静息状态时，细胞膜内的K⁺浓度高于膜外，而细胞膜对K⁺的通透性较大，于是K⁺顺浓度梯度由细胞膜内向膜外扩散，膜内主要的带负电的蛋白离子不能通过而被阻于膜内侧。这样，细胞膜外有了过量的正离子而膜内积聚了大量的负离子，形成了膜内为负、膜外为正的跨膜电位差。该电位差形成的电场阻碍K⁺继续外流，与K⁺的浓度梯度的作用力相反。随着K⁺的外移，电位梯度相应增大，阻碍K⁺外流的电场力亦相应增大。当上述两种相反的力达到平衡时膜内外不再有K⁺的净移动，跨膜电位差也保持在相对恒定的水平，形成静息电位。简言之，静息电位决定于K⁺的电—化学平衡电位。

     (二)动作电位的形成机制

     动作电位形成的原理比静息电位复杂，为了叙述方便，分别论述动作电位的上升支和下降支产生的机制。

     1.动作电位的上升支(除极过程) 动作电位的除极过程主要是Na⁺内流形成的。当细胞受到刺激时，膜电位逐渐减小，当膜电位减小到某一临界值时，膜上的电位依从式Na⁺通道被激活而开放，膜对Na⁺的通透性突然增大。由于细胞膜外Na⁺浓度高于膜内，跨膜电位梯度和Na⁺的浓度梯度使Na⁺迅速内流，从而使膜迅速去极化，膜内电位急剧升高到+20～+40mV，这一过程构成动作电位的上升支。这个使Na⁺通道大量激活开放的临界膜电位值，称为阈电位。

     当膜电位变成正值时，跨膜电位的电场阻碍了Na⁺内流。当Na⁺的跨膜浓度与阻碍Na⁺内流的电位梯度两种拮抗力平衡时，Na⁺的跨膜净转移停止，动作电位达到峰值。由此可见，动作电位的去极化过程是Na⁺迅速内流的结果，动作电位的峰值，相当于Na⁺内流形成的电—化学平衡电位。

    2.动作电位的下降支(复极化过程) Na⁺通道开放的时间极短，很快失活关闭，与此同时对K⁺的通透性增大，K⁺迅速外流直至恢复到静息电位水平。

    在一次动作电位过程中K⁺外流和Na⁺内流，使K⁺和Na⁺跨膜浓度梯度变小。膜内Na⁺浓度和膜外K⁺浓度增加使钠泵加速运转，将动作电位过程中内流的Na⁺和外流的K⁺分别泵出或泵入细胞，从而使Na⁺和K⁺的跨膜浓度差恢复到静息状态时水平。

    动作电位的特点是具有“全”或“无”现象。对于同一细胞，只有刺激达到阈值才产生动作电位，其幅度和波形就不再随刺激强度的增加而增加;并且动作电位在刺激部位产生后，即沿细胞膜向周围传播，直至传遍整个细胞。在细胞各部位都可记录到同样大小和波形的动作电位。这种在同一细胞上动作电位的大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象，称为“全或无”现象。

     从电生理学的角度看，细胞膜的去极化达不到阈电位水平，就不能产生动作电位。阈刺激一定使膜去极化达阈电位水平而产生动作电位。阈下刺激虽不能引起细胞膜产生动作电位，但是能使细胞膜对Na⁺的通透性有所增加，引起少量Na⁺内流，产生微弱的去极化，只是膜的去极化不能达到阈电位水平，因此不能产生动作电位。这种阈下刺激引起的膜电位的变化只发生在受刺激的局部范围，而不能传向远处，称为局部反应或局部兴奋。其特点：(1)局部反应没有“全或无”现象，它随刺激强度的增大而增大;(2)可以发生总和现象，有两种情况：如果在第一次阀下刺激引起的局部反应未消失以前，紧接着给予第二次阀下刺激，前后两个刺激引起的局部反应叠加起来，使膜去极化达到阈电位水平而爆发动作电位，这称为时间性总和;如果在细胞膜上相邻部位同时给予两个阈下刺激，这两个阀下刺激引起的局部反应也可以叠加起来而使细胞膜产生动作电位，这称为空间总和。(3)局部兴奋不能远距离传导，但可使与它邻近的细胞膜出现轻度去极化，这种变化随着与局部兴奋发生位点的距离增大而迅速减小以至消失，局部兴奋这种形式的扩张，称为电紧张性扩张。

 

第三节    生物电与电的区别

 

     一、参与生物电活动的电子与形成电学交流的电子荷能不同。形成电学电流的电子荷能为5个单位;参与生物电活动的电子荷能为2～3个单位。因此,二者的电阻、电容、电感的情形都不同,用电器和能量转换都与电学有差异。用电学仪表测量生物电，即使是极灵敏的仪表,也不准确,这给生物电研究带来了困难。

    二、生物电有多频谱、多层次、多源性的广泛混频,频带极宽,占满了从心频到红外频谱的广泛领域。频次、波形与生化反应、生物效益有明显的对应关系。

     三、电学电流中的电子呈环路流动,有强的物理效应;生物电电子以静电形式呈环节性移动，有明显的化学效应。

     四、生物电有特有的用电器，各种用电器的基本用点单位是生物分子;如蛋白质,视黄醛、电子传导链、乙酰胆碱、儿茶酚胺……这些分子都以主链导电,有的还呈无阻尼状态,尤其是螺旋蛋白,螺旋状还有自感升压作用。这些分子组成的能量转换器，传感器、导电器具……效率极高。人体的用电器具都是分子集成的。

    五、电学电流在回路中周流一次，只通过一个用电器（并联），做一次功；生物电运动到每个环节都做功，做多次功。

    六、电流中的电子在回路中均匀而快速流动；生物电电子在移动途中是变速的;在有些环节以电流形式移动;在有些环节中以静电扩散形式移动;在另一些环节中又附着于携带体，以离子形式移动。