[原创]生物电形成机制与心电图解读

摘要：生物电是有生命生物体内生物化学反应造成的体内带电粒子数量、极性、位置等改变引起其本身电磁场变化的一种物理现象。心肌等可兴奋的细胞兴奋时会引发相邻的可兴奋的细胞兴奋，这种兴奋状态的依次发生叫兴奋传递。心电是心肌兴奋产生的生物电，而心电图是心电等作用于测量回路两个测量点形成的电位差在时间轴上的表达，可以用数学公式描述。心电图存在盲区，消除盲区获得的时域指标有重要的生理含义。游走型心电高频成分是局部心肌代谢障碍严重的表达。

自从人类发现自然界电和电磁现象并了解和掌握其基本规律以来，一场以电为主要媒介的各领域革命迅速席卷全球，极大地推动了人类社会的进步与发展，在当今社会中“电”已成为与“空气”和“水”一样重要的不可或缺的资源。然而，一直以来人们对发生在生命体内的生物电研究与运用却显得严重滞后，这种滞后严重地影响了生理学和临床医学相关领域的发展，例如人们在脑及神经系统、心脏及循环系统的工作机制研究方面，就是因为在生物电形成机制认识上的偏差而难以向前推进。在本文中，笔者试图通过物理学的相关理论来解释生物电的形成机制，以及应用这种机制解读心电图原理及其生理学意义。

一、生物电的形成机制探微

（一）、生物电的定义、性质与特点

所谓的生物电现象是指：在有生命的生物体中存在的，由生物体自身的器官和（或）组织发生的生物化学反应（以下简称生化反应）引起的（包括生物体内的体液等物质传输、流动，以及外力造成的体内物质的物理变化等引起的）生物体内部的带电粒子数量、极性、位置等的改变，由此造成的生物体本身电磁场变化的物理现象。
生物电的本质是：有生命的生物体内部的带电粒子数量、极性、所处位置发生变化引起的电磁场变化。
与通常意义上的“电”（如我们日常使用的直流电、交流电）不同的是：1、形成生物电的最基本单元带电粒子是分布在生物体中的不同位置，从而导致生物电有空间概念；2、生物体内的导电特性因随生物体内的生物化学和物理变化而变化，而生物体本身的生物化学和物理变化随时都在发生，从而导致生物体内的导电特性复杂。基于这两点的不同，又由于形成生物电的最基本单元与构成测量回路的导体都处于同一空间，使用通常的测量电的方法测量生物电，就显现出其不同特点，即生物体中任意空间的两点间电位差、电流是不同的，且随生物体内的生物化学和物理变化而变化。而对通常的电路的测量而言，在由同一电源引伸出的两根导线间的电位差是相等的，与导线距电源间的导线长度无关；在同一电流回路中的电流强度是相同的，与这一回路中不同位置所串联的电阻数量及阻值无关。
尽管生物电在测量结果上似乎与通常的电有着根本的不同，但是，从电的形成本质上，二者没有区别。因此，电学的基本原理、定理、法则规律等，对生物电同样有效。
我们可以将生物电看作是一个由众多提供不同电压和频率的电站（电源），由众多复杂的用电单元，由复杂的导线网连接所形成的一个异常复杂的电网。在这个电网中，电站的数量是变化的，供电的极性、电压、频率是变化的，用电单元的数量和方式（如电阻、电容、电感等）是变化的，网络连接方式是变化的。当然，如果真要建立一个这样的电网，那么在这样一个电网中任意选择两个测量点测量其电位差、电流、频率等，即使是在同一时刻，在不同测量点（指跨基本回路选择的测量点）间测得的值也不可能相同（不包括概率极低的巧合）。因此，在生物体中任意两点测得的电位差，是这个复杂的电网综合作用所形成的。所以，在生物体中构成的测量回路，是可以用等效电路来表达的。

严格意义上讲，在任何有生命的生物体中，只要生物组织实施其自身功能并有新陈代谢发生，就必然存在生物电现象。因为生命的存续要求各组织和器官必须实施其自身功能并进行新陈代谢，而这些过程的最主要形式是围绕着生化反应进行的。所以，生化反应在有生命特征的生物体中随时随地都在发生，而在生化反应的过程中，势必造成反应区域及其周边的带电粒子数量、极性及其所处位置的变化，这种变化势必造成对前一时态下带电粒子所形成的电磁场的改变，从而导致一个变化的电磁场的形成，这就是生物电形成的基本机制。

能够完成生化反应的条件比较苛刻，特别是对温度的要求比较严格，不同的生化反应都有一个适合温度范围，反应的剧烈程度会随温度偏离这个范围的程度而降低，直至反应停止。所以冷冻状态下的生物或组织是不会表现出生物电现象的。
除了温度之外，新陈代谢条件对是否能够促成生化反应发生也是十分重要的，只有当生物体内通往反应区域的代谢途径畅通，反应区域内参与反应的物质浓度达到反应条件，生化反应才有可能进行。
生化反应必要代谢物质的有效输送是促成和维系生化反应进行的重要前提。引发代谢物质位移的动力形式多种多样，不同的生物组织因其功能及其发生的生化反应特性而需要不同形式的代谢动力。光照、热振动、化学键力、分子键力、电磁力、生化反应引起生物组织舒缩产生的机械力，以及外界作用于生物组织的机械力等，都可能成为代谢物质位移的动力。

生物体内的离子数量、极性和位置的变化，通常是伴随着生化反应过程的进行发生的，而这种变化的结果造成了这一区域电磁场的变化，这种电磁场变化就是生物电现象。因此，生物电是生物体在进行生化反应过程中所派生出来的一种物理现象。
生物体内的生化反应多种多样，越高等的物种，其体内的生化反应种类越多，越复杂。一般而言，越复杂的生化反应其反应的条件越苛刻。温度是制约生化反应的重要条件之一，目前食品行业常用的冷藏、冷冻保鲜方法，就是利用降温来停止生化反应，或降低鲜活食品体内的生化反应速度。因此，在没有生化反应的有生命的生物体中，如低温快速冷冻的活鱼，虽然它在合适的方法解冻后仍然能够成活，但在冷冻状态下，在它的身体上是检测不到生物电的。因此，生物电的存在必须符合两个条件，这就是：这些生物组织必须是有生命的，在这些有生命的组织中必须有生化反应发生。
在生化反应过程中还伴随有热能的释放或吸收现象的发生，因此，反应区域还会出现因生化反应造成的温度变化以及光的辐射或吸收等现象。

由于人类最早是从人体和哺乳动物身上发现生物电现象的，而且这些生物电都是来自心脏、大脑、神经和骨骼肌等有着快速生化反应能力的组织，且是在发生生化反应过程中引发的，因此，与植物和一些生化反应速度较慢的动物组织相比较，这种生物电的电位变化幅度较大，频率较高，使用当时的一些通用的电工仪表中很容易被发现，于是就有了心电、脑电、神经电脉冲、肌电等名词和概念。
由于对生物电本质的认识上的不足，一直以来人们不会认为在有生命的植物体内也会存在生物电现象，而笔者认为，只要符合上述生物电形成条件，任何生物组织都会发生生物电现象，无论它属于动物、植物甚至微生物。
由于植物组织在实施其自身功能与维系生命的新陈代谢过程中，其生化反应的速度一般都比较慢，反应过程中造成的离子变化程度比较小，因此所发生的生物电的频率较低，电位差较小。如果要检测这样一种生物电，则需要有低频、高信噪比、高增益的仪器，还要创造一个屏蔽空间电磁场和适合植物组织实施其自身功能与新陈代谢的环境，以便将测量环境的噪声干扰降到低于生物电水平，并使植物组织的生化反应能够顺利进行。

（二）、生物电的传播与兴奋的传递

1、生物电的传播及特点

前文已经阐释了生物电与通常的电的性质是相同的，生物电的传播同样遵循所有的电学的基本原理、定理、法则及规律等，其传播速度当然也是30万千米/秒。
生物电的特点在前文中也已经阐释，这里需要强调的是，在生物体中形成生物电基本单元和生物体中导电特性，都受制于生物体的结构及其电学特性，受制于生物体实施其自身功能所引发的生化反应，和生物体内新陈代谢过程所产生的理化变化。因此，无论是体内的生物电还是外界的电在生物体内传播，都会发生电阻、电容、电感等现象，这些由生物组织形成的电学元件效应与通常电学元件的功能相同，并可以用等效元件表达。同理，生物体内形成的生物电同样可以用等效电源表达。
基于以认识，生物电电流在其体内传播时，会受到变化的生物电阻、电容、电感等的影响，受变化的生物电源的影响。因此，在测量生物体中生物电时，在不同的测量回路中测得的数值是不同的，即使在同一时刻测得的数值也会不同；在同一测量回路中，不同时刻测得的数值也会不同。
总之，生物电电源是个变化的，有空间概念的供电系统。生物电是通过生物体本身向外界传播的，而生物体可以看作是一个涵盖复杂的可变的生物电阻、电容、电感等元件组成的电路系统。尽管这种电源电路十分复杂，但是我们仍能用等效电路进行电路分析。

2、细胞的兴奋和兴奋传递

心肌、神经纤维、骨骼肌、平滑肌等组织，与其它类别的生物组织有所不同，因为它们都存在两种状态，即兴奋状态和静息状态，并交替在这两种状态中转变。所谓的细胞兴奋，是指细胞达到一种剧烈的生化反应条件，并进入到这个剧烈的生化反应过程；所谓的细胞静息，是指细胞完成上述的剧烈的生化反应过程后，进入到一种相对很平缓的生化反应过程。本文所涉及的“细胞的兴奋”概念，是专指此类细胞自发或受激由静息状态，转变成兴奋状态的过程。
可以兴奋的细胞在兴奋状态和静息状态下形成的生物电有着明显的不同。在兴奋状态下，这些组织处在一种剧烈的生化反应过程中，在这种剧烈的生化反应状态下，离子（带电粒子）数量、极性和位置的变化剧烈，引发的生物电变化表现为较高频率的波动；在静息状态下，这些组织处在一种相对平缓的生化反应过程中，相应地在这种平缓的生化反应中，离子（带电粒子）数量、极性和位置的变化很微弱，所引发的生物电变化就表现为相对较低频率的波动。因此，在可以兴奋的细胞中发生的生化反应不是单一的形式。
事实上，人们在心肌细胞、神经细胞等可以兴奋的细胞研究方面已经进入到细胞和分子的层面，人们通过实验发现这些细胞即使在兴奋状态下也存在两种生化反应过程，一种是去极化生化反应过程（即去极化过程或称除极），一种是复极化生化反应过程（即复极化过程或称复极）。去极化过程是一种剧烈的生化反应过程，这一过程一般持续时间较短；去极化过程完成之后，细胞就进入复极化状态，这一过程一般持续时间较长，是一种生化反应相对平缓的过程。当细胞完成复极化过程之后，就重新进入到极化状态，细胞的兴奋就此完成，并进入到静息状态。如果这种极化状态的细胞受激或自身达到剧烈生化反应条件时，剧烈的生化反应将随之发生，细胞的兴奋再次开始。
细胞的兴奋一旦发生一般无法停下来，即去极化反应完成后，复极化反应随即发生，在二者的衔接上没有停顿，反应条件的变化只能影响到复极反应完成的时间。细胞进入极化状态后，需等待去极化反应条件的来临。在外界环境条件不变的情况下，组织内部的代谢条件和代谢物质的状况，决定去极化反应条件到来的迟早，即决定细胞兴奋到来的迟早。由相邻细胞的兴奋和（或）外力（包括机械力、化学力、电力、磁力等）的作用等引发，细胞达到去极化反应条件而引发细胞兴奋，称作受激兴奋；在没有外来刺激和外力的作用下，仅由组织内正常的代谢途径这种方式，导致细胞达到去极化反应条件而引发的细胞兴奋，称作自发兴奋，这种细胞通常称作自律细胞。
我们将可以交替进行去极化反应和复极化反应的细胞称作可以兴奋的细胞，这种细胞在复极化反应尚未达到一定的极化状态之前，去极化反应不会发生。我们将从去极化反应开始后的一段不能够发生去极化反应时期，称作该细胞兴奋的不应期。不应期的长短主要由细胞的特性决定，也与生物组织的代谢状况、外界环境条件（如温度）等有关，因为代谢物质和环境温度等，直接影响去极化反应和复极化反应的速度，进而影响不应期的长度。需要说明的是，达到极化状态并不意味着复极化反应的结束，在各种条件不变的情况下，去极化反应和复极化反应所用的时间总是大于不应期长度。
为了叙述方便，以下把细胞去极化过程的生化反应简称为除极反应，将复极化过程的生化反应称为复极反应。任何化学反应都有条件，达到反应条件反应才会发生，生化反应也不例外。因此，对于可以兴奋的细胞而言，无论它被人们定义为自律细胞还是非自律细胞，无论是外力作用的，还是自身的代谢途径使细胞达到除极反应条件，除极反应都会发生，细胞都会兴奋。

自律细胞和非自律细胞都是可以传递兴奋的。可以传递兴奋的条件是，细胞间不存在阻隔兴奋的不能兴奋的细胞和组织，包括正处在不应期内暂时不能兴奋的可兴奋细胞和组织。
细胞兴奋传递的机制是：当某个细胞兴奋时，剧烈的除极反应会引发反应区域及周围的代谢物质迅速位移[扩散和（或）集聚]，包括新的物质形成和旧的物质消失，以及此区域环境温度等的改变，从而造成相邻处于极化状态的细胞达到除极反应条件而开始兴奋，依次类推，使这种兴奋状态由近及远地下传给所有处于极化状态的细胞。
引发细胞代谢物质迅速位移的能量主要源自除极反应，这能量是各种物理能和化学能的综合。

兴奋传递是一种状态的传递，它的传递方式可以用一种多米诺骨牌游戏来形象地表达，整齐竖直排列的多米诺骨牌如同处于极化状态的细胞，当其中一块骨牌倒下并砸到与它相邻的骨牌时，导致其也倒下并推倒与它相邻的骨牌，依次类推导致所有骨牌全部倒下。多米诺骨牌在倒下过程中传递的是一种“使骨牌倒下”的过程，而兴奋传递的是一种“除极反应”的过程。与多米诺骨牌不同的是，常见的多米诺骨牌游戏都是二维的排列，它传递“倒下”的方向是一维的，即只能朝着一个方向倒，而兴奋的传递是三维的，它传递除极反应的方向也是三维的，即朝向空间的各个方向。
如果有骨牌倒下没能推倒它的相邻骨牌，那么传递“倒下”状态的过程就此中止，因此推倒相邻骨牌的能力，就成了多米诺骨牌能否将“倒下”状态下传的必要条件。与多米诺骨牌相类似的是，当兴奋下传到相邻的细胞和（或）组织时，如果该细胞和（或）组织不能兴奋，或仍处在不应期内，暂时不能兴奋，兴奋传递只能绕过不能兴奋的组织继续下传，如果兴奋传递遇上完全隔断的不能兴奋的细胞和组织时，这个“兴奋传递”过程只能就此中止。

3、兴奋的传播与生物电的传播

兴奋的传播是通过相邻的可以兴奋的细胞间进行的，也就说细胞的除极反应引发了相邻的细胞的除极反应，使细胞的这种兴奋状态传播开来。而在除极反应过程中，一方面造成周围带电粒子变化，从而派生出生物电，另一方面除极反应产生的吸、放热等现象带来的环境温度等的变化，以及在此期间新物质的生成和旧物质的消失或远离，以及新环境下的各种物质间的各种物理力和化学力的作用，共同促成了相邻细胞达到除极反应条件，而使其受激兴奋。因此，兴奋的传播是通过已兴奋的细胞的除极反应，引发相邻处于极化状态的细胞发生除极反应完成的，即细胞是通过传递的方式，将其兴奋的状态传播给所有达到极化状态而未兴奋的细胞的。所以，兴奋传播的必要条件是：在兴奋传播的区域内，相邻的细胞都是可以兴奋的细胞；所有的相邻细胞在兴奋传递到达时都处于极化状态；兴奋的细胞的除极反应必须能引发相邻细胞发生除极反应。
细胞间兴奋传递的性质与***中**的燃烧相同，**的燃烧是一种化学反应过程，这种化学反应过程伴随着带电粒子的变化和发光放热等过程的发生，而放热过程则引发相邻尚未发生化学反应的**达到反应条件开始反应，依次类推由**引发的化学反应就在***中传递完成。

生物体是一种导电特性复杂的导体，它的导电特性与生物体本身的结构和体内带电粒子数量、分布状况及其变化相关；生物电是在生物体发生生化反应，引发体内带电粒子数量、位置、极性等改变而派生出来的一种物理现象，它的物理特性与人们普遍应用的电没有区别。因此，生物电在生物体内的传播如同在均匀的金属导体中传播没有本质上的区别，它的传播速度等同于光速，并且仅仅是带电粒子状态的传播，而并不是带电粒子的长程位移。与在金属导体中传播不同的是，无论是生物电还是非生物电在生命体中传播，都同样受到变化的生物电阻、电容、电感等的作用，加之生命体本身结构复杂，和导电特性受控于生物体内部的物理变化和生化反应，这就造成了电流在体内传播的复杂性。这种复杂性表现为体内的电流、电压、电阻、电容、电感等，随测量点位置的变化而变化，随时间的不同而不同。

从对以上两种传播方式的原理与特点的单独阐述不难发现，“生物电引发兴奋传导”学说存在诸多与实际情况不符的问题，首先是兴奋传递速度远远小于生物电传播速度问题，其次是生物电传播能跨越导电的不能兴奋的生物组织下传。