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电磁学小论文：电磁波控制生物的可行性研究及模型探讨_理学_高等教育_教育专区
电磁波控制生物的可行性研究及模型探讨 （蔡一鸣 科大） == ==》电磁场 内容简介：电磁场能够控制生物的生化基础与影响实例== == 影响生物生化过程的几个模型探讨== ==》电磁波控制生物的几个大胆 == 方案== ==》与相关科学的联系 一，导言 从某个角度来看，生物是一架极为精妙的电子机器，其内部无时无刻不在激 荡着的
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而生命活动的微观形式：生化反 应，其本质则来源于分子离子由于电磁作用而产生的化学键的形成与断裂。 电磁现象在生命中起着极其重要的作用。 既然生命中有如此丰富的电磁现象， 那么可不可以通过外加电磁场来人为控 制这些过程呢？ 进一步的，既然这些电磁现象对于生命如此重要，可不可以通过电磁波控制 生命体的活动，使之按照控制者的意愿产生某种惊人的效果呢？ 一旦这成为可能，则必将引发社会革命性的变化。 本文将从生物， 化学中的电磁学机理，以及电磁场影响生物的几个模型来探 讨这个问题。 二，生物体的电学现象与受电场影响 （1）生物的电特性 生物体内充满了电荷，绝大部分以离子，离子基团和电偶极子的形式存在。 如 Na+,K+,Ca2+,Cl-等无机离子，组成蛋白质的 20 种氨基酸有 13 种能在水中离 解产生离子基团或表现电偶极子特性。 这些电荷的广泛存在给外场通过影响电荷进而影响生理过程提供了可能。 而作为细胞生活环境和生化反应环境的水更是具有明显的电学特性： 水分子 具有很强的偶极性。水的偶极距为 1.84D。整个水分子具有质子施主的能力，能 与其他水分子，离子或生物大分子的极性基团之间形成氢键。这给外场影响提供 了很好的电学环境。 （2）生物的电活动 1 动作电位与静息电位 静息电位： 内负外正，幅度 50~100mv,主要由氯离子，钾离子，钠离子的内外迁移达到 平衡后形成。 动作电位： 幅度约为 90~130mV，动作电位超过零电位水平约 35mV，神经纤维的动作电 位一般历时约 0.5~2.0ms，可沿膜传播，当细胞受到刺激产生兴奋时细胞膜上大 量的钠通道同时开放，细胞外的钠离子快速、大量地内流，导致细胞内正电荷迅 速增加，电位急剧上升，形成了动作电位的上升支，当膜内侧的正电位增大到足 以阻止钠离子的进一步内流时，也就是钠离子的平衡电位时，钠离子停止内流， 并且钠通道失活关闭。在此时，钾通道被激活而开放，钾离子顺着浓度梯度从细 胞内流向细胞外，大量的阳离子外流导致细胞膜内电位迅速下降产生去极化， 形 成了动作电位的下降支。 动作电位与静息电位的交替以电流形式沿神经元的轴突传导，从而传递信 号。 ②重要生化反应中的电子转移 细胞里的许多能量反应一般来说都可以被理解为分子之间的电子转移。 这就 是细胞所进行的物质发酵或呼吸， 亦可以称作是生物氧化，其作用形式就是电子 在细胞物质间流动的氧化还原。细胞为了生存，必须有电子源，这就是生化反应 中的电子或氢的供体。植物把水作为电子源，从水中汲取电子，光合作用把水分 子分解成电子、质子（H＋）即氢核和分子氧。许多微生物从还原性物质获得电 子或氢来合成有机质， 动物是从现有的有机物中获得电子和氢来合成自身的有机 质。 （3）静电场对生物的宏观影响： 由于（1） （2）中的电现象，外电场自然会对生物体内的自由基活动，各种 酶活性，膜渗透，代谢等产生影响。其宏观表现有：高压静电场对离体培养肿瘤 细胞生长有抑制作用，静电场能促进萝卜对矿质元素的吸收，叶片光合色素含量 增加，呼吸作用活性增强，电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响，用匀强 静电场处理甜菜种子能提高甜菜糖份 0.6 度。200~600V 静电场对人神经衰弱治 疗有效率达 94.3%等等 三，生物的磁现象与受磁场影响 （1）生物的磁现象： 大部分生物大分子是各向异性反磁性，少数为顺磁性，极少数呈铁磁性。 在 磁性细菌，鸽子和个别人等少数生物中发现有微量四氧化三铁和 Fe 等强磁性物 质存在，它们在生物的定向导航中起到了重要的作用。 正常人体组织是非磁性的，磁化率很小，没有剩余的磁距，部分原因是由于 生物体基本上由水组成，而水是弱的反磁性物质。 各种生物活动会产生生物电过程，如电子传递，离子转移，神经电活动等， 由此产生频率强度不同的生物磁场。 这些磁现象给外场影响生物提供了可能。 （2）磁场对生物的影响 1 磁场对生物体内水的作用 磁场能使水聚体的偶极矩取向发生变化，改变原子核外的电子激发程度， 实 现共振。进而改变水的物化性质。而水又是细胞生活的环境，股磁场能进一步对 细胞产生影响。 2 磁场对组织细胞的作用 磁场能使细胞内电荷运动方向发生改变， 使电子或离子不能达到正常的功能 位置，生物分子间的亲和力受到破坏，从而抑制细胞周期的正常进行，导致分裂 停止。在较高感应电势的作用下，细胞膜被击穿或被感应电流烧伤，或被磁距扭 曲， 甚至引起细胞死亡。 另一方面， 磁场作用亦可促进组织细胞带电微粒的运动， 调整生物分子的液晶结构， 改变膜的通透性， 促进代谢过程， 加强组织细胞成长。 3 宏观效应： 磁致遗传效应：磁场能引起 DNA 分子的氢键发生畸变，影响 H+离子的隧道 效应，导致部分遗传物质结构的变化，进而引起生物遗传变异。 磁致生长（死亡）效应：如海胆卵置于 10~14 超导体磁场中处理 2 小时， 其 分裂显著延迟，强度高于 1.4T 的恒定均匀场能抑制细菌的生长。用磁水浸泡可 是多种蔬菜增产。 磁致生理生化效应：如磁场可以改变果蝇的趋光性；可以提高，抑制一些生 物大分子的活性。 磁致放大效应： 在许多观测到的磁场生物效应中， 外加磁场的能量是很小的， 但产生的生物效应反映出的能量却往往较大。外场只起激发作用，生物体起到能 量放大作用，相当于一个线性放大器。一种情况中，生物效应随着磁场的频率而 变，在某一频率时达到最大，称为生物共振。 四，电磁辐射生物学的原初过程及影响 （1）机理：电磁波的光子通过生物组织或其他介质时通过光电效应，康普顿 效应及电子对的生成与原子体系的电子相互作用而被吸收， 进而引发进一步的电 离和激发，电子吸收特定大小的能量跃迁到更高的能级。通过此种方式，生物分 子吸收辐射能后产生的损伤便出现于一些较弱的化学键上，使之断裂或重排。 如 重要的遗传物质 DNA 双链。 （2）影响：电磁波辐射既能致癌又能抑癌，能引起基因突变也能诱导 DNA 的损伤修复功能，能破坏核酸与蛋白质的结构也能刺激其合成等 五，生化反应的电学本质和受电磁场影响 （1） 化学键： ①共价键：经典共价键理论认为：分子中的原子之间可以通过共享电子对， 是分子中的每个原子具有稳定的稀有气体电子结构，此种方式即称为共价键。 而 近代价键理论在量子力学基础上提出： 形成共价键的两个原子提供自旋相反的单 电子，其本质是原子相互接近时轨道重叠，核间电子云密度增大，波函数叠加， 原子之间通过共用自旋相反的电子是体系能量降到最低而成键。 ②离子键：离子键的本质是静电引力，其通过核与电子的吸引，核与核的排 斥以及电子与电子的排斥达到平衡。 ③金属键：在固态或液态金属中，金属原子的价电子成为“自由电子” ，在 金属原子间自由流动，称为“自由电子气” 。这种自由电子气的不停运动，把沉 浸其中的金属离子连在一起的结合力称作金属键。 小结：由上可见，化学键的本质来源于库仑力，这是外场影响分子结构进而 影响生物的微观基础。 （2） 化学反应：化学反应的本质是化学键的断裂和重新形成。故而与成 键的原子间的静电力的强弱有着重要的关系。 由于（1） （2）中的原因，化学反应会受到电磁场的影响，举例如下： （3） 受电场影响：如用一些分子的电致变色：如紫精衍生物，二茂铁衍 生物等。 （4） 受磁场影响：如磁场诱导下的有机不对称合成。 （5） 受电磁波影响：如光化学反应 小结：由上可见，电磁场是能够影响生化反应的，我们也就有可能借此来进 一步影响生物体内的生理环境，生理过程。 六，以几个简单模型研究电磁场对生物的影响 （1）神经纤维的电流模型 神经纤维上的静息电位和动作电位所形成的 电位交替变化可简化为一在神经纤维上传导的电 流模型： 其 传 导 速 度 约 为 1m/s ~100m/s ， 不 妨 取 为 50m/s，生物电流大小取为：I=0.5mA，取单位神经 纤维长度为 1mm，则由安培力公式： F=BLv 考察上式知：若 B 取 1T，则 F= 2.5 ⅹ10^-5 N （2）离子通道的电荷模型 细胞膜两侧因离子浓度不同形成的化学势会 趋使离子发生沿浓度梯度的迁移运动。 其中很重要的一种途径是经由离子通道来 完成离子进出和电位控制。 下面取 Na+离子为研究对象，取其通过 Na 离子通道的过程建模研究。 细胞膜上离子扩散速度约为 10m/s 量级，取为：v=30m/s 对于钠离子，q = e =1.6ⅹ10^-19 C, 相对分子质量：M = 23g/mol 由电场力： F = q·E 取 E=1 v/m, 则 F= 1.6ⅹ10^-19 N ；取 E= 10^19 v/m ，则 F = 1.6 N 。由 此可见，在此种模型下，电场力直接对离子施加的影响是较微小的。 由洛伦兹力： F = qBv 取 B = 1 T ,则 F = 4.8ⅹ10^-18 N ;取 B = 10^18 T ,则 F = 4.8 N。由此可 见，在此种模型下，洛伦兹力直接对离子施加的影响是较微小的。 （3）生化反应的经典电子图像下的模型： 为了简化模型，便于讨论，以下不考虑量子力学的图像以及相对论效应， 只 在经典的电子图像下考虑外场对生化反应中成键电子的影响。 电子带电量：q = 1.6ⅹ10^-19 C , 经典电子半径 ：r =2.818ⅹ10^-15m ，电 子静止质量： m = 9.1ⅹ10^-31kg， 由向心力等于库仑力： mv^2/r=kq^2/r^2 m/s， 由电场力： F = q·E 取 E=1 v/m，解得电场力 F=1.6ⅹ10^-19 N, 由洛伦兹力： F = qBv 取 B = 1 T，解得洛伦兹力 F= 4.8ⅹ10^-14 N ， 解得电子绕核速度： = 3ⅹ10^5 v （4）蛋白质分子的偶极距模型： 组成蛋白质的 20 种氨基酸有 13 种能在水中离解产生离子基团或表现电偶极 子特性。 由氨基酸组成的蛋白质也大多具有较强的偶极距， 常见蛋白质举例如下： 大分子 碳氧血红蛋白 肌红蛋白 胰岛素 胰岛素 卵白蛋白 血清白蛋白 溶剂 分子量（U） 偶极矩(p) 水 67000 480 水 17000 170 含 80%水的丙二醇 40000 360 丙二醇 40000 300 44000 250 水 水 70000 380 取偶极矩 p =250 C·m 由电偶极子在外场中受力： F = (p (p·▽)E(r) 取电场为均匀场，E=1 v/m ，则电场力 F= 0 由电偶极子在外场中受力矩： L = pⅹE 取电场为均匀场，E=1 v/m，则受力矩 L=250 C·V 七，几个大胆构想（通过电磁波控制生物） （1）寄生虫控制生物的方案 由前面的计算知直接用电磁场虽然能整体干扰生物的生理， 但要对生物体内 某一特定过程实现精细的控制，直接利用电磁波式困难的，这里提出一种大胆的 解决方案： 原理：通过转基因技术等生物工程制造一种特种细菌或寄生虫（以下简称寄 生虫） ，该种寄生虫由于实现设计好的组织机能结构，会对一些特定频率组合的 电磁波信号产生特定的强烈的生物放大和生物共振效应。 之后该寄生虫将以特定 方式作用于宿主生物，如向接入的宿主神经发出某种电信号指令，或释放某种化 学递质进而控制该宿主的行动和内部生理环境。 使用：若在战场上或进行反恐作业，只需释放并控制该虫进入所需控制的宿 主即可。并可进行大规模批量生产和使用。 影响：一旦此种方案被战争所需要，将会成为一种恐怖的杀人魔鬼，必将受 到世界的谴责。但从另一方面来说，科技是一把双刃剑，为恶还是从善在于使用 科技的人。如果这种虫子能用于医学上瘫痪，失聪，失明等患者的治疗，自然是 一项重大的贡献。 2 （2）利用涡流干扰生物和造成伤害： 1 在异常环境电磁场中，迅速变化的电磁场会使生物分子的电偶极矩 和极化状态发生变化，改变生物分子的结构与功能。如果交变电磁场的变化 频率很高，一方面生物体系中的各种极性分子会发生迅速的周期性变化，在 变化的过程中，这些极性分子与其周围的分子发生极剧的碰撞和摩擦，产生 大量的热能； 另一方面，生物体系中的各种离子由于受到交变电磁场的作用， 在其平衡位置附近做周期性的运动，在运动的过程中，这些离子与其他分子 碰撞而产生热能。 2 迅速变化的电磁场还会产生涡流：磁场在空间激发涡旋状的感应电 场，生物体中的载流子在涡旋电场力的作用下，产生运动，形成涡旋状电流， 从而产大量焦耳热。 ? ? B = B0 sin ωt ? ?B ? = B0ω cos ωt ?t ? ? ? ?B ? × E旋 = ? = ? B0ω cos ωt ?t 涡流将会干扰生物体内的生物电过程，从而实现对生物行为，判断的干 扰，甚至于操控。而产生的大量焦耳热叫破坏生物体内的稳态，对大脑等器 官造成不可逆的损伤。这一旦成为可行，很可能成为战争中极具杀伤力的新 概念武器。 3 （3）相关技术（生物工程，算法，分子器件，人工智能） 电磁波控制生物的技术将与生物工程联系在一起。 而如果能够应用上功能分 子器件，控制的精度和实现的功能将更为强大。而技术成熟之后，此项技术必将 走向模块化和集成化，对应每种功能将有特定的波谱，而通过各种波谱拼积木式 的组合，将按照预期组合出新的复杂功能。由于生物生理活动的复杂性，这项组 合与分析的任务将有功能强大的计算机通过新的算法完成。同时，这项技术将促 进对生物计算机技术的研究，又由于从中对生物内在生理过程，神经信号传导有 了更深的了解，其又将促进人工智能的研究。 参考文献： 《电磁学与电动力学》胡友秋，程福臻，叶邦角 编著，科学出版社 《电磁场与电磁波理论》徐立勤，曹伟编著，科学出版社 《生物物理学》丘冠英，彭银祥主编，武汉大学出版社 《无机化学》张祖德 编著，中国科学技术大学出版社 《现代光化学》张建成，王夺元著，机械工业出版社 《化学中的电子过程》蒋月顺，杨文胜编著，科学出版社 《神经生物学纲要》徐科主编，科学出版社
這是 Google 對 http://wenku.baidu.com/view/5bd31ea4b0717fd5360cdc37.html 的快取。 這是該網頁於 2015年9月2日 14:16:57 GMT 顯示時的快照。
电磁学小论文：电磁波控制生物的可行性研究及模型探讨_理学_高等教育_教育专区
电磁波控制生物的可行性研究及模型探讨 （蔡一鸣 科大） == ==》电磁场 内容简介：电磁场能够控制生物的生化基础与影响实例== == 影响生物生化过程的几个模型探讨== ==》电磁波控制生物的几个大胆 == 方案== ==》与相关科学的联系 一，导言 从某个角度来看，生物是一架极为精妙的电子机器，其内部无时无刻不在激 荡着的生物电流和有序运动着带电分子，离子。而生命活动的微观形式：生化反 应，其本质则来源于分子离子由于电磁作用而产生的化学键的形成与断裂。 电磁现象在生命中起着极其重要的作用。 既然生命中有如此丰富的电磁现象， 那么可不可以通过外加电磁场来人为控 制这些过程呢？ 进一步的，既然这些电磁现象对于生命如此重要，可不可以通过电磁波控制 生命体的活动，使之按照控制者的意愿产生某种惊人的效果呢？ 一旦这成为可能，则必将引发社会革命性的变化。 本文将从生物， 化学中的电磁学机理，以及电磁场影响生物的几个模型来探 讨这个问题。 二，生物体的电学现象与受电场影响 （1）生物的电特性 生物体内充满了电荷，绝大部分以离子，离子基团和电偶极子的形式存在。 如 Na+,K+,Ca2+,Cl-等无机离子，组成蛋白质的 20 种氨基酸有 13 种能在水中离 解产生离子基团或表现电偶极子特性。 这些电荷的广泛存在给外场通过影响电荷进而影响生理过程提供了可能。 而作为细胞生活环境和生化反应环境的水更是具有明显的电学特性： 水分子 具有很强的偶极性。水的偶极距为 1.84D。整个水分子具有质子施主的能力，能 与其他水分子，离子或生物大分子的极性基团之间形成氢键。这给外场影响提供 了很好的电学环境。 （2）生物的电活动 1 动作电位与静息电位 静息电位： 内负外正，幅度 50~100mv,主要由氯离子，钾离子，钠离子的内外迁移达到 平衡后形成。 动作电位： 幅度约为 90~130mV，动作电位超过零电位水平约 35mV，神经纤维的动作电 位一般历时约 0.5~2.0ms，可沿膜传播，当细胞受到刺激产生兴奋时细胞膜上大 量的钠通道同时开放，细胞外的钠离子快速、大量地内流，导致细胞内正电荷迅 速增加，电位急剧上升，形成了动作电位的上升支，当膜内侧的正电位增大到足 以阻止钠离子的进一步内流时，也就是钠离子的平衡电位时，钠离子停止内流， 并且钠通道失活关闭。在此时，钾通道被激活而开放，钾离子顺着浓度梯度从细 胞内流向细胞外，大量的阳离子外流导致细胞膜内电位迅速下降产生去极化， 形 成了动作电位的下降支。 动作电位与静息电位的交替以电流形式沿神经元的轴突传导，从而传递信 号。 ②重要生化反应中的电子转移 细胞里的许多能量反应一般来说都可以被理解为分子之间的电子转移。 这就 是细胞所进行的物质发酵或呼吸， 亦可以称作是生物氧化，其作用形式就是电子 在细胞物质间流动的氧化还原。细胞为了生存，必须有电子源，这就是生化反应 中的电子或氢的供体。植物把水作为电子源，从水中汲取电子，光合作用把水分 子分解成电子、质子（H＋）即氢核和分子氧。许多微生物从还原性物质获得电 子或氢来合成有机质， 动物是从现有的有机物中获得电子和氢来合成自身的有机 质。 （3）静电场对生物的宏观影响： 由于（1） （2）中的电现象，外电场自然会对生物体内的自由基活动，各种 酶活性，膜渗透，代谢等产生影响。其宏观表现有：高压静电场对离体培养肿瘤 细胞生长有抑制作用，静电场能促进萝卜对矿质元素的吸收，叶片光合色素含量 增加，呼吸作用活性增强，电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响，用匀强 静电场处理甜菜种子能提高甜菜糖份 0.6 度。200~600V 静电场对人神经衰弱治 疗有效率达 94.3%等等 三，生物的磁现象与受磁场影响 （1）生物的磁现象： 大部分生物大分子是各向异性反磁性，少数为顺磁性，极少数呈铁磁性。 在 磁性细菌，鸽子和个别人等少数生物中发现有微量四氧化三铁和 Fe 等强磁性物 质存在，它们在生物的定向导航中起到了重要的作用。 正常人体组织是非磁性的，磁化率很小，没有剩余的磁距，部分原因是由于 生物体基本上由水组成，而水是弱的反磁性物质。 各种生物活动会产生生物电过程，如电子传递，离子转移，神经电活动等， 由此产生频率强度不同的生物磁场。 这些磁现象给外场影响生物提供了可能。 （2）磁场对生物的影响 1 磁场对生物体内水的作用 磁场能使水聚体的偶极矩取向发生变化，改变原子核外的电子激发程度， 实 现共振。进而改变水的物化性质。而水又是细胞生活的环境，股磁场能进一步对 细胞产生影响。 2 磁场对组织细胞的作用 磁场能使细胞内电荷运动方向发生改变， 使电子或离子不能达到正常的功能 位置，生物分子间的亲和力受到破坏，从而抑制细胞周期的正常进行，导致分裂 停止。在较高感应电势的作用下，细胞膜被击穿或被感应电流烧伤，或被磁距扭 曲， 甚至引起细胞死亡。 另一方面， 磁场作用亦可促进组织细胞带电微粒的运动， 调整生物分子的液晶结构， 改变膜的通透性， 促进代谢过程， 加强组织细胞成长。 3 宏观效应： 磁致遗传效应：磁场能引起 DNA 分子的氢键发生畸变，影响 H+离子的隧道 效应，导致部分遗传物质结构的变化，进而引起生物遗传变异。 磁致生长（死亡）效应：如海胆卵置于 10~14 超导体磁场中处理 2 小时， 其 分裂显著延迟，强度高于 1.4T 的恒定均匀场能抑制细菌的生长。用磁水浸泡可 是多种蔬菜增产。 磁致生理生化效应：如磁场可以改变果蝇的趋光性；可以提高，抑制一些生 物大分子的活性。 磁致放大效应： 在许多观测到的磁场生物效应中， 外加磁场的能量是很小的， 但产生的生物效应反映出的能量却往往较大。外场只起激发作用，生物体起到能 量放大作用，相当于一个线性放大器。一种情况中，生物效应随着磁场的频率而 变，在某一频率时达到最大，称为生物共振。 四，电磁辐射生物学的原初过程及影响 （1）机理：电磁波的光子通过生物组织或其他介质时通过光电效应，康普顿 效应及电子对的生成与原子体系的电子相互作用而被吸收， 进而引发进一步的电 离和激发，电子吸收特定大小的能量跃迁到更高的能级。通过此种方式，生物分 子吸收辐射能后产生的损伤便出现于一些较弱的化学键上，使之断裂或重排。 如 重要的遗传物质 DNA 双链。 （2）影响：电磁波辐射既能致癌又能抑癌，能引起基因突变也能诱导 DNA 的损伤修复功能，能破坏核酸与蛋白质的结构也能刺激其合成等 五，生化反应的电学本质和受电磁场影响 （1） 化学键： ①共价键：经典共价键理论认为：分子中的原子之间可以通过共享电子对， 是分子中的每个原子具有稳定的稀有气体电子结构，此种方式即称为共价键。 而 近代价键理论在量子力学基础上提出： 形成共价键的两个原子提供自旋相反的单 电子，其本质是原子相互接近时轨道重叠，核间电子云密度增大，波函数叠加， 原子之间通过共用自旋相反的电子是体系能量降到最低而成键。 ②离子键：离子键的本质是静电引力，其通过核与电子的吸引，核与核的排 斥以及电子与电子的排斥达到平衡。 ③金属键：在固态或液态金属中，金属原子的价电子成为“自由电子” ，在 金属原子间自由流动，称为“自由电子气” 。这种自由电子气的不停运动，把沉 浸其中的金属离子连在一起的结合力称作金属键。 小结：由上可见，化学键的本质来源于库仑力，这是外场影响分子结构进而 影响生物的微观基础。 （2） 化学反应：化学反应的本质是化学键的断裂和重新形成。故而与成 键的原子间的静电力的强弱有着重要的关系。 由于（1） （2）中的原因，化学反应会受到电磁场的影响，举例如下： （3） 受电场影响：如用一些分子的电致变色：如紫精衍生物，二茂铁衍 生物等。 （4） 受磁场影响：如磁场诱导下的有机不对称合成。 （5） 受电磁波影响：如光化学反应 小结：由上可见，电磁场是能够影响生化反应的，我们也就有可能借此来进 一步影响生物体内的生理环境，生理过程。 六，以几个简单模型研究电磁场对生物的影响 （1）神经纤维的电流模型 神经纤维上的静息电位和动作电位所形成的 电位交替变化可简化为一在神经纤维上传导的电 流模型： 其 传 导 速 度 约 为 1m/s ~100m/s ， 不 妨 取 为 50m/s，生物电流大小取为：I=0.5mA，取单位神经 纤维长度为 1mm，则由安培力公式： F=BLv 考察上式知：若 B 取 1T，则 F= 2.5 ⅹ10^-5 N （2）离子通道的电荷模型 细胞膜两侧因离子浓度不同形成的化学势会 趋使离子发生沿浓度梯度的迁移运动。 其中很重要的一种途径是经由离子通道来 完成离子进出和电位控制。 下面取 Na+离子为研究对象，取其通过 Na 离子通道的过程建模研究。 细胞膜上离子扩散速度约为 10m/s 量级，取为：v=30m/s 对于钠离子，q = e =1.6ⅹ10^-19 C, 相对分子质量：M = 23g/mol 由电场力： F = q·E 取 E=1 v/m, 则 F= 1.6ⅹ10^-19 N ；取 E= 10^19 v/m ，则 F = 1.6 N 。由 此可见，在此种模型下，电场力直接对离子施加的影响是较微小的。 由洛伦兹力： F = qBv 取 B = 1 T ,则 F = 4.8ⅹ10^-18 N ;取 B = 10^18 T ,则 F = 4.8 N。由此可 见，在此种模型下，洛伦兹力直接对离子施加的影响是较微小的。 （3）生化反应的经典电子图像下的模型： 为了简化模型，便于讨论，以下不考虑量子力学的图像以及相对论效应， 只 在经典的电子图像下考虑外场对生化反应中成键电子的影响。 电子带电量：q = 1.6ⅹ10^-19 C , 经典电子半径 ：r =2.818ⅹ10^-15m ，电 子静止质量： m = 9.1ⅹ10^-31kg， 由向心力等于库仑力： mv^2/r=kq^2/r^2 m/s， 由电场力： F = q·E 取 E=1 v/m，解得电场力 F=1.6ⅹ10^-19 N, 由洛伦兹力： F = qBv 取 B = 1 T，解得洛伦兹力 F= 4.8ⅹ10^-14 N ， 解得电子绕核速度： = 3ⅹ10^5 v （4）蛋白质分子的偶极距模型： 组成蛋白质的 20 种氨基酸有 13 种能在水中离解产生离子基团或表现电偶极 子特性。 由氨基酸组成的蛋白质也大多具有较强的偶极距， 常见蛋白质举例如下： 大分子 碳氧血红蛋白 肌红蛋白 胰岛素 胰岛素 卵白蛋白 血清白蛋白 溶剂 分子量（U） 偶极矩(p) 水 67000 480 水 17000 170 含 80%水的丙二醇 40000 360 丙二醇 40000 300 44000 250 水 水 70000 380 取偶极矩 p =250 C·m 由电偶极子在外场中受力： F = (p (p·▽)E(r) 取电场为均匀场，E=1 v/m ，则电场力 F= 0 由电偶极子在外场中受力矩： L = pⅹE 取电场为均匀场，E=1 v/m，则受力矩 L=250 C·V 七，几个大胆构想（通过电磁波控制生物） （1）寄生虫控制生物的方案 由前面的计算知直接用电磁场虽然能整体干扰生物的生理， 但要对生物体内 某一特定过程实现精细的控制，直接利用电磁波式困难的，这里提出一种大胆的 解决方案： 原理：通过转基因技术等生物工程制造一种特种细菌或寄生虫（以下简称寄 生虫） ，该种寄生虫由于实现设计好的组织机能结构，会对一些特定频率组合的 电磁波信号产生特定的强烈的生物放大和生物共振效应。 之后该寄生虫将以特定 方式作用于宿主生物，如向接入的宿主神经发出某种电信号指令，或释放某种化 学递质进而控制该宿主的行动和内部生理环境。 使用：若在战场上或进行反恐作业，只需释放并控制该虫进入所需控制的宿 主即可。并可进行大规模批量生产和使用。 影响：一旦此种方案被战争所需要，将会成为一种恐怖的杀人魔鬼，必将受 到世界的谴责。但从另一方面来说，科技是一把双刃剑，为恶还是从善在于使用 科技的人。如果这种虫子能用于医学上瘫痪，失聪，失明等患者的治疗，自然是 一项重大的贡献。 2 （2）利用涡流干扰生物和造成伤害： 1 在异常环境电磁场中，迅速变化的电磁场会使生物分子的电偶极矩 和极化状态发生变化，改变生物分子的结构与功能。如果交变电磁场的变化 频率很高，一方面生物体系中的各种极性分子会发生迅速的周期性变化，在 变化的过程中，这些极性分子与其周围的分子发生极剧的碰撞和摩擦，产生 大量的热能； 另一方面，生物体系中的各种离子由于受到交变电磁场的作用， 在其平衡位置附近做周期性的运动，在运动的过程中，这些离子与其他分子 碰撞而产生热能。 2 迅速变化的电磁场还会产生涡流：磁场在空间激发涡旋状的感应电 场，生物体中的载流子在涡旋电场力的作用下，产生运动，形成涡旋状电流， 从而产大量焦耳热。 ? ? B = B0 sin ωt ? ?B ? = B0ω cos ωt ?t ? ? ? ?B ? × E旋 = ? = ? B0ω cos ωt ?t 涡流将会干扰生物体内的生物电过程，从而实现对生物行为，判断的干 扰，甚至于操控。而产生的大量焦耳热叫破坏生物体内的稳态，对大脑等器 官造成不可逆的损伤。这一旦成为可行，很可能成为战争中极具杀伤力的新 概念武器。 3 （3）相关技术（生物工程，算法，分子器件，人工智能） 电磁波控制生物的技术将与生物工程联系在一起。 而如果能够应用上功能分 子器件，控制的精度和实现的功能将更为强大。而技术成熟之后，此项技术必将 走向模块化和集成化，对应每种功能将有特定的波谱，而通过各种波谱拼积木式 的组合，将按照预期组合出新的复杂功能。由于生物生理活动的复杂性，这项组 合与分析的任务将有功能强大的计算机通过新的算法完成。同时，这项技术将促 进对生物计算机技术的研究，又由于从中对生物内在生理过程，神经信号传导有 了更深的了解，其又将促进人工智能的研究。 参考文献： 《电磁学与电动力学》胡友秋，程福臻，叶邦角 编著，科学出版社 《电磁场与电磁波理论》徐立勤，曹伟编著，科学出版社 《生物物理学》丘冠英，彭银祥主编，武汉大学出版社 《无机化学》张祖德 编著，中国科学技术大学出版社 《现代光化学》张建成，王夺元著，机械工业出版社 《化学中的电子过程》蒋月顺，杨文胜编著，科学出版社 《神经生物学纲要》徐科主编，科学出版社
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