生物体中的电

(选自《大自然》1984年第四期。作者王谷岩)

你听过这样的故事么?一支远洋捕捞作业船队,开到东海渔区去赶渔汛。在一次排除水下故障时,检修人员刚刚潜到水底,无意间碰到了什么东西,突然四肢麻木、浑身打颤起来。他们百思不得其解,不晓得碰到了什么怪事。当地的渔民告诉他们,那是栖息在海底的一种鱼在作怪。这种鱼叫电鳐,会放电,那位检修人员在水下被它电击了。说来也巧,他们不久就捕获了一只电鳐。这玩意二尺来长,身体扁平,长着一条肉滚滚的长尾巴,活像一把大蒲扇。

这种能放电的鱼,我们把它们统称为“电鱼”。目前已经发现有五百多种电鱼。放电是电鱼的生存武器,用来自卫或捕食。非洲有一种电鲶,能够产生350伏特的放电电压,可以电死小鱼,也可以电晕人类和兽类。北大西洋的巨电鳐,则能产生60伏特、50安培的电脉冲,功率高达三千瓦,足以电死一条大鱼。中南美洲的电鳗是电鱼当中放电电压最高的,能达到800多伏特。

说到这里有人要问了,一条鱼怎么就能放电呢?从自己身体里往外放电,不是也会电到自己么?

原来,在电鱼的体内,有着奇特的发电器官,各种电鱼的发电器官的形态和位置不尽相同。电鳗的发电器官分布在尾部脊椎两侧的肌肉中, 呈长菱形;电鳐的发电器官则排列在腹面两侧,形似两个扁平的肾脏。电鱼的发电器官,都是由很多叫“电板”的盘形细胞组成的。电鳐的发电器官里面,约有两百万个电板,电鲶的电板数目更多,约有五百万个。这些电板都浸润在细胞外面的胶质中,由于胶质能起到绝缘作用,所以发电器官放出的电不会使电鱼自身触电。电鱼的每一个电板都能产生一定的电压,例如电鳗的一个电板的电压是0.15伏。由于电板数目很多,所以电鱼能产生很强的放电。

科学家们发现,除了电鱼能产生强烈的放电以外,自然界中一切动物都能产生微弱的电流。这种由生物体产生的电就是生物电。生物电不是什么可有可无的东西,假如离开了生物电,世界上一切的动物也就不会存在了。

去医院看心脏病要做心电图。心电图就是在身体表面记录到的由心脏发出的生物电。我们的大脑也能产生生物电,输出的电压有0.02~0.1毫伏。同样的,脑电可以用固定在头皮上的电极引出,用脑电图仪记录下来。脑电图也已经成为诊断脑部疾病的常规手段。为什么根据心电图和脑电图,就能诊断心脏或脑部有没有疾病呢?

这是因为,科学家们通过大量的实验已经证实,人和动物身体各个器官产生的生物电,并不是杂乱无章、可有可无的,而是有其一定规律,与生理活动密切相关的。例如每个健康人的心电图波形是大致相同的,如果波形出现了不正常的情况,也就说明心脏某个部位的生理活动出现了病态。脑电图,还有视网膜电图,也是利用了它们的波形与脑和眼睛生理活动的对应关系,而被应用于诊断疾病的。

通过研究生物电的活动规律,从而了解机体的生理机能,这种研究方法已经广泛应用于生理学的研究中,并且形成了一门独立的分支学科,这就是“电生理学”。电生理学方法,是对人和动物的神经系统、感觉器官生理机能进行研究的最主要的方法。

动物猎取食物、逃避敌害、寻找配偶、适应环境,都离不开感觉器官。因为通过感觉器官,动物体才能获得有关外界环境的各种信息。在眼、耳、鼻、舌、皮肤等执行感觉机能的过程中,一个很重要的步骤,是先要把传递信息的光线、声音、气味、压力和温度等信号,转换为神经电信号。这些电信号在感觉器官中再经过一定的处理,然后通过神经传入大脑,从而产生了感觉。

我们以哺乳动物(包括人类)的眼睛举例,较为详细地谈谈生物电在感觉过程中所起的作用。外界物体通过眼球的晶状体,在视网膜上形成一个光的影像。视网膜上的感光细胞受到了光的照射之后,就把光的强弱信号转换为电信号,这就是所谓的神经电信号。与光的强弱相对应,神经电信号表现为脉冲频率的高低。这样,许许多多的感光细胞同时把它所感觉到那部分影像上的光信号转换为电信号。这些电信号又都通过视神经传到大脑皮层的视觉区。经过分析与综合,大脑就像翻译电报一样,把这些电信号“破译”出来,于是眼睛就能看见东西了。

正是根据视觉过程产生的这种生物电现象,科学家们找到了一种使盲人重建视觉的方法,也就是用人工装置产生视觉的方法。这种“人工视觉”技术目前达到的水平,是用一个小型电视摄像机代替失明的眼球,把外界景物成像并转换为一系列的电信号;视网膜对影像电信号的处理工作,则由一个微型电子计算机去完成;从计算机传出来的电信号由一组代替视神经的导线引导到植入盲人大脑皮层视觉区的几十或几百个电极片上,由于电信号对大脑的刺激,就使盲人获得了视觉。用这种方法获得的人工视觉,由于植入大脑皮层的电极数目等一系列限制,盲人感觉到的图像还比较粗糙。但是,经过训练和习惯过程,可以使视觉得到部分恢复。

生理学的发展早已证实了,伴随着人和动物的所有神经、肌肉、器官和腺体的活动,都有微弱的生物电产生;这些生物电信号在体内的产生和传播,又是这些器官和组织完成各自的生理机能不可缺少的因素。随着人们对生物电的产生和传播规律认识的加深,不仅使人们加深了对机体生理活动的认识,也开创了一个崭新的科技领域:生物电控制。

我们的每一个肢体动作都受着神经系统的支配,都是在大脑下达给肌肉的指令控制下进行的。这些指令信号就是一系列生物电信号,表现为电流或电位的变化,可以在身体表面用特制的电子仪器记录到。这种在肌肉表面记录到的生物电就是肌电。肌电实际上是由大脑的指令电信号和肌肉活动产生的生物电两部分组成的。既然生物电是一种电信号,因此它就不仅能够控制人体肌肉的收缩和松弛,而且也能操控人造的机器,这就是生物电控制。

最早应用生物电控制技术的技术装置是假肢。例如,有一种肌电控制的假手,转动手腕、屈伸手指等动作,是由里面的微型电动机带动机械部件完成的,而控制和驱动微型电动机的,就是从残肢皮肤上引出并经过加工和放大了的电信号。这种假手活动自如,能完成正常人手的一些主要动作。

实验证明,把一个人的肌电信号传送给另一个人的相应的肌肉,可以使第二个人精确地重复出第一个人的动作。这样,生物电控制就为训练飞行员提供了一个很好的办法,因为这要比用语言和动作示范好得多。而且可以用磁带把一套动作的肌电信号录下来,对飞行员作反复训练。

生物电控制技术在高速飞机的驾驶和宇宙飞船的操控方面,正显示其重要作用。高速飞机在突然改变航向或航速时,会产生很大的超重,宇宙飞船在一定的飞行阶段也会有更大的超重。在超重的情况下,人的行动是非常困难的,一个简单的举手、抬脚的动作都要费很大劲才能完成。这样就使飞行员或宇航员不能准确地操控和驾驶。人们研制了多种飞机肌电伺服控制系统和宇宙飞船肌电伺服控制系统,很好地解决了超重情况下的驾驶问题。这些系统都可以把在试图做操作动作时所产生的肌电信号,用来控制飞机或飞船,或者用肌电信号驱动一定的机构,给人助以一臂之力,使人顺利完成控制动作。

基于对人体运动肌肉和生物电控制的研究,人们正在研制一种“人形机器人”。这是一种直接用人的肌电信号控制的机器人,目的是利用它在人们难以到达的地方去工作,例如高辐射、高温场所,深海和宇宙空间或外星球表面。它有四肢,安装了视觉、触觉和听觉传感器,由人来遥控;人做一定的动作,各部位产生的肌电信号经过放大和计算机处理之后,再变成无线电遥控信号,发送给人形机器人的相应部位,于是机器人也就重复那个人的动作了。

人们已经了解到,在不同的麻醉阶段,脑电信号是不一样的;呼吸状况的不同,呼吸神经的电信号也不同。根据这些生理特点,科学家们已经将生物电控制直接应用于维持人的生命或治疗疾病。有一种自动麻醉机,是用病人的脑电信号控制的,能够恰到好处地自动供给或撤除麻醉药物。有一种自动人工呼吸机,是用呼吸神经信号控制的,这是目前最理想的抢救器械。还有一种心脏起搏器,则是从心电中得到控制信号的。

在人类社会,开动各种机器和装置的电,作为一种能量,已经改变了人类生产和生活的面貌。在动物世界,那活着的发电机源源不断地发出的电,则是作为一种威力无比的控制信息使生命富有活力。我们相信,人类从生命之电得到的启迪,必将使人类的生产和生活锦上添花。

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