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超低频电磁场处理使水的介电常数增加及其生物学含义
2019-12-26
    【作者简介】沈恂中国科学院生物物理研究所研究员,博士生导师,是中国着名的生物物理学科研工作者。曾任中国生物物理学会副理事长,中国生物物理学报主编等重要学术职务。在电离辐射与电磁辐射,自由基生物与医学和光生物学等学科技术及学术理论方面作出许多重要贡献。
    【摘要】水是地球表面上含量最丰富的化合物,也是生命体系里最重要的分子。水对细胞的功能起着各种各样的作用,它是绝大多数生物大分子的溶剂,它既是酶催化的底物,又是酶催化的产物,还是生物大分子的重要组成部分。虽然用电磁场处理水已有 80年的历史,但是许多有关电磁场处理水的有益生物效应的报告不是被认为遗闻逸事,就是被认为不够令人信服。为了探索是否有什么物理学的依据可以帮助人们理解电磁场处理水的可能的生物学效应,我们测量了超低频电磁场 (ELFEM)处理的去离子水的介电驰豫谱,并与未处理的去离子水比较,发现:在 1-10 GHz 频率范围内,ELFEM场处理水的介电常数比未处理水高 3.7%,说明电磁场处理导致水中水分子极化率提高。静电学和热力学的分析表明,被高介电常数的电磁场处理水水合后,蛋白质和其它生物大分子的自由能将会降低,而自由能对蛋白质的稳定性、蛋白质的折叠和构象变化以及酶的催化活性均起着重要作用,因此,电磁场处理水的生物学效应很可能与高介电常数的电磁场处理水水合所导致的生物大分子自由能的降低有关。
    1. 引言
    水是地球表面含量最丰富的化合物,是所有生命有机体的主要成分。人体重量的 65%是水,某些组织如大脑和肺的近80%是由水构成的。通熟地讲,可以把水看作身体内唯一的溶剂在哺乳动物体内,水以两种形式存在,每种形式的水又有多种细分,一种叫细胞内水,约占身体水60%-65%,一种叫细胞外水,约占身体水的 35%-40%。细胞内水位于双层质膜内,作为悬浮各种细胞器的基质和发生各种化学反应的场所 [1]。细胞外水位于各种组织的细胞周围,提供了离子运动、蛋白质和各种营养物质通过细胞膜的微环境。除此之外,水分子甚至成为蛋白质结构的一部分,叫做埋藏的水分子,这种埋藏的水分子并不与大量作为溶剂的水接触,它们在稳定蛋白质结构上起着重要作用。冰冻 X-射线晶体学的研究表明,围绕蛋白质表面存
    在着大范围的氢键网络,这一氢键网络使蛋白质很容易发生大范围的构象改变,对蛋白质的动力学和功能有着极大的影响 [2]。
    水的特性十分重要,因为它常常决定着生物的活性,例如,蛋白质要有活性至少要有约 3%的最低含水量,这个最低含水量相当于蛋白质外第一水合壳里渗进去的水 [3]。总而言之,普遍认为水是生命的必要条件。由于水对生命的重要性 ,人们采用了许多物理的和化学的处理方法去改进饮用水的质量,其中最着名的要算电磁场对水的处理,但是,对这种物理的处理方法从上世纪 30年代起就一直存在着争议。最早的处理装置里用的都是永久磁铁,现在用的大都是交变的磁场或电场。本文不打算详细涉及诸如磁场处理可以降低水的硬度或软化水等许多引起混淆的研究报告 [4],只想着重考量电磁场处理水是否在生物学上真有效果。伊斯梅尔(Ismail)和舒克里(Shoukry)最近报道:暴露在磁场处理水中达 12周的钉螺个体略大,产卵数和卵的重量比对照组明显增加,他们还观察到在磁场处理水中处理过 5天的钉螺卵的孵化率高于对照组,但是,这种新孵化出的钉螺孵化后又在磁场处理水中在暴露 7天后的存活率却明显降低 [5]。赵大元等报道说,用磁场处理水喂养一个月的小鼠体内的抗氧化酶(包括过氧化氢酶、超氧阴离子歧化酶SOD和谷胱甘肽过氧化物酶)的活性有所增加,而脂质过氧化则有所降低,用磁场处理水喂养 5周的大鼠的血脂水平比对照组大鼠低。遗憾的是,他们没有说明所用的磁场和水是如何处理的。刘育英及其合作者用与本研究相同的超低频电磁场(缩写为 ELFEM场)处理的水对白细胞的粘附性和肠系膜的微循环、血黏度和红细胞的变形性、肠胃的蠕动功能、大鼠疲劳耐力和大鼠自然杀伤细胞活性的影响进行了研究,发现饮用ELFEM场处理水的大鼠中,白细胞的粘附性和迁移性明显减小,血小板聚集度降低,白介素 1和白介素 6的分泌增加,血液粘稠度减小,从而改善了肠道的蠕动和收缩功能,并且提高了自然杀伤细胞(脾细胞)的活性,使大鼠的游泳时间的加长 [7~10]。上述提到的电磁场处理水对动物的生物效应似乎难以置信,为了了解电磁场处理水的这些生物效应,一方面需要通过有严格对照的动物实验或临床试验看看能否证实电磁场处理水的生物效应,特别是那些有益健康的效应,另一方面,应该寻找某些有说服力的能够解释电磁场处理水的生物效应的物理和化学依据。为此,本研究检验了可能影响水合蛋白质结构和功能的水的介电特性是否在电磁场处理后出现任何明显的改变。
    2. 实验步骤
    2.1电磁场和去离子水的处理
    用于处理水的超低频电磁场(ELFEM场)由广东骏丰频谱实业有限公司提供的装置产生,图 1给出了该装置的基本构成,去离子水通过一段与电磁场方向垂直的非铁磁性管道 6次流经交变的 ELFEM场,每次水在交变超低频电磁场中停留的时间约为 1秒钟,ELFEM场中磁通量密度 B = 2 .B0Sin(2πft),式中,B0=0.15 特斯拉,f = 50 赫兹。图 1 用于处理水的超低频电磁场。
    2.2介电驰豫谱的测量
    所有的测量都是在清华大学新型陶瓷和精细加工国家重点实验室里用参数网络分析器 (Agilent/HP-S)和一个末端开放的同轴介电探头(Agilent/HP 85070E)进行的,测量时,探头浸没在盛有样品水的玻璃烧杯(总体积为 25 mL)里,烧杯由温度控制器恒温在 23±1 °C,整个测量系统放在 23±1°C的空调房间。探头经空气开路、水银短路和与纯水浸没 3轮校正。在50 MHz至 20 GHz的频率范围内记录介电驰豫(DR)谱 (对数坐标上设 200个频率点 ),ELFEM场处理的去离子水的 DR谱εem* (ν),和未处理水的 DR谱 εc*(ν),在每一个频率点上均测量 6次后取平均值,并进行统计学分析,式中,ν是驰豫频率。
    2.3统计分析
    对 ELFEM场处理的水和未处理水的 DR谱上每一个频率点的 6个数据进行 Student -t检验,以 p<0.01作为判别标准判断由 ELFEM场处理水的 DR谱上每一频率点上 6个数据平均得到的介电常数与未处理水的 DR谱上的相应频率点上的介电常数是否有统计学意义的差异。
    结果
    分别给出了测量得到的 ELFEM场处理的去离子水的介电驰豫谱和作为对照的流经未开启电源的电磁场处理装置的去离子水的介电驰豫谱,可以清楚地看到,ELFEM场处理水的介电常数几乎在每一个频率点上都显着高于由未处理水得到的介电常数。平均地讲,在 1-10 GHz频率范围内,ELFEM场处理水的介电常数比未处理水高3.7%。超低频电磁场处理和未处理的去离子水的介电驰豫谱可以由介电驰豫谱 ε"(ν)按下式计算出 ELFEM场处理水和未处理水的电导率谱 σEM(ν)和 σC(ν) [11]: σ(ν) = 2πνεoε″(ν) (1)式中,ε o是真空里的介电常数,其值为 8.84 x 10 -12 F/m。计算得到的 ELFEM场处理水和未处理水的电导率谱示于,可以看到,超低频电磁场处理并不引起去离子水电导率的任何改变。
    4. 讨论
    本研究发现,去离子水经过超低频电磁场处理后的介电驰豫谱明显提高,然而,与预期一样,超低频电磁场处理并不引起去离子水电导率的改变,这是因为超低频电磁场既不会改变去离子水的成分,也不会改变水中残存的离子浓度。因此,超低频电磁场处理不改变去离子水电导率的结果可以作为一个旁证,表明观察到的去离子水介电驰豫谱的变化不是由实验测量中的任何系统误差造成的水是由一个个磁偶极矩为 μ Ι水分子组成的物质,介电驰豫谱测量的是水的总磁偶极矩M(t) = Σμi(t)对一个与时间有关的外部电磁场的反应,这使得介电驰豫谱的测量能够监测分子集合体的集体运动,这一点是核磁共振和拉曼光谱等方法做不到的,因为核磁共振和拉曼光谱等方法主要给出的是单个分子的信息。科克伍德(Kirkwood)最早提出了下面这个着名的公式来计算水的介电常数:公式中,ε是水的介电常数, N O是阿佛加德罗常数,M是水的分子量,k是波尔茨曼常数,α是水分子的极化率,μ是水分子的磁偶极矩,g是科克伍德相关性因子,它反映了周围分子的非随机性取向的影响,T是温度。基于这一公式,我们可以知道,介电常数的增大意味着超低频电磁场处理水的分子极化率 α增大。由于分子极化率决定了水的高级结构,H 2O偶极子的取向和水中氢键的夹角就有可能改变。在物理学尚未解决的问题中,液态水的性质是最重要的问题之一,其所以重要,不仅在于它的许多基础方面,还在于它对生命的影响。科学已经不断地指出和证明静电场效应是把生物分子的结构与它的功能联系起来的重要因素,现在很清楚地知道,静电效应在酶的催化、电子转移、质子转运、离子通道、配体结合、大分子组装和信号转导方面起着重要作用。人们还知道,包括多肽和多糖在内的所有生物大分子都有几条具有一定折叠能力的不易弯曲的链,表示水合蛋白质中 -NH+和 CO之间形成单个水分子桥的概念示意图;(b)分离一个电荷对所需要做的功,蛋白质那样的大分子多聚物骨架上在空间上不能复位的空间电荷分离产生了一个储存能量的静电场。这是因为在它们的骨架序列中含有若干刚性的环状结构和双胺
    键,大分子的这种结构造成了正电荷和部分负电荷之间在空间上不能复位的电荷分离,这种电荷分离造成大分子静电能量的增加,作为一个概念性的图示,图 4(a)表示水分子与蛋白质的结合使氨基基团和羧基基团之间的距离增大。图 4(b)则表示,在真空里将生物大分子上的氨基和羧基 (即 NH +和 CO-)分开所需要做的功是 [26]:在水里所需要做的功则变成:式中, q1和 q2分别是 NH +和 CO-基团上的电荷, s0和 r12分别是真空和水里 NH +和 CO-基团之间的距离,ε v和εw分别是水在真空和水里的介电常数。由(4)式可知,在介电常数为 ε w的水中分离 NH +基团和 CO-基团所需做的功比在真空中分离它们所需做的功减少了 ε v/εw倍,因此,与未处理的水相比,在 ELFEM 场处理的水中分离 NH +基团和 CO-基团所需做的功便进一步减小了 ε * (v)/ε*(v)倍 (该比值为1.037,emc见本文“结果”部分 ),也就是说,在 ELFEM场处理的水里分离 NH +和 CO-所需做的功要比在未处理水中需要做的功低3.7%,分离 NH+基团和 CO-基团所需做的功的减小意味着被超低频电磁场处理的水合的蛋白质的自由能减小,是说,如果超低频电磁场处理的水能够进入细胞和置换原先结合的水,并完全或一定程度地保持它的介电特性,细胞内的蛋白质的自由能将减小。事实上,“高介电常数水中大分子的自由能降低”这一结论也可以较容易地由热力学导出,结合了水的大分子的自由能ΔG = ΔH -TΔS是负的静电场焓 ΔH减去由水分子的介电排列所增加的有序性提高带来的负熵变化 ΔS所贡献的能量,熵越负,自由能越低。我们还知道,自由能对蛋白质的稳定性、蛋白质折叠、蛋白质的构象变化和酶的催化活性都有重要意义,蛋白质的自由能函数还是计算预测蛋白质结构与功能的关键参数。
    最后,必须指出,上述所有讨论都是基于这样一个假设,即:电磁场处理的水在进入人体和活细胞后可以完全或一定程度上保持它的高介电性质,这个假设看来是合理的,但强有力的证据还有待获得,进一步的研究将是必要的。
    致谢作者衷心地感谢清华大学新型陶瓷和精细加工国家重点实验室的勾焕林博士为本研究所做的水的介电驰豫谱的测量,并衷心感谢为本实验提供超低频电磁场发生器的广东骏丰频谱股份有限公司。
 
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