第三章第五节生物磁现象
生物也有磁性吗？这些磁性还有重要的应用吗？这好像是难以理解的。通过现代科学的大
量和广泛的观测、实验和理论研究，表明包括人在内的生物体不但具有磁性和产生磁场，而
且这些磁性和磁场对于生物还有着重要的价值。
核磁共振层析成像
磁在生物学和医学方面的一项重要应用是原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁
共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和电子计算机的处理技
术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素，也即这种核素的化学元素的
浓度分布图像。目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用
的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点
例如，X射线层析成像得到的是成像物的密度分布图像，而核磁共振层析成像却是成像物的
原子核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的密度分布图像，但氢元素是构成人体
和生物体的主要化学元素。因此，从核磁共振层析成像得到的氢元素分布图像，要比从X射
线密度分布图像得到人体和生物体内的更多信息。
例如，人体头部外层头骨的密度高，而内层脑组织的密度较低，因此从人头部的X射线层析
成像难于得到人脑组织的清晰图像，但是从人头部的核磁共振层析成像却可以得到头内脑组
织的氢原子核即氢元素分布的清晰图像，从而可以看出脑组织是否正常。又例如，对于初期
肿瘤患者，其组织同正常组织尚无明显差异时，从X射线层析成像尚看不出异常，但从核磁
共振层析成像就可看出其异常了。在核磁共振层析成像中可以检查出的脑瘤(A)，但在X射线
层析成像中却看不出来。
目前核磁共振层析成像应用的虽然还只有氢核一种原子核素，但从科学技术发展看，可以预
言将会有更多的原子核素，如碳核和氮核等的核磁共振层析成像也将进入应用。
心磁图和脑磁图
我们在体格检查或因心脏、脑部疾病去医院就医时，常常需要做心电图或脑电图的检查，由
此了解心脏或脑部的生理和病理情况。但是我们知道电的活动(电流)会产生磁场，因此在心
电流产生心电图和脑电流产生的脑电图时，也应该有心磁场产生的心磁图和脑磁场产生的脑
磁图。那么为什么目前医院里还没有应用心磁图和脑磁图呢？这是因为心脏产生的心磁场和
脑部产生的脑磁场都太微弱，不但需要特别的高度灵敏的测量心、脑磁场的磁强计，例如应
用在很低温度下才能使用的超导量子干涉仪(SQUID)式磁强计；而且由于微弱的心脏磁场只
有地球磁场的大约百万分之一，更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约亿分之一，因此在测
量心脏磁场和脑部磁场时还必须排除地球磁场的干扰，这就需要在能把地球磁场显著减小的
磁屏蔽室中进行心、脑磁场的测量，或者利用超导量子干涉仪式磁场梯
度计在没有磁屏蔽室时进行心、脑磁场的测量。
但是，从另一方面看，同心、脑电图相比较，心、脑磁图在医学应用上却有许多特点和优点
。例如，心电图只能测量交变的电流信号，不能测量直流(恒定)的电流信号，因而不能应用
于只产生直流异常电信号的生理病理探测，而心、脑磁图却能同时测量交变和直流(恒定)的
磁场信号。
实验研究结果表明，心、脑磁图比心、脑电图具有更高的分辨率。除了心、脑磁图
外，到目前已经测量研究了人体的眼磁图、肌(肉)磁图、肺磁图和腹磁图等，取得了人体多
方面的磁信息。为了提高测量人体心、脑等磁场的分辨率，可以采用几个到几十个测量磁场
的磁探头。
鸽子回家和海龟回游
许多人都知道，家鸽可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里；燕子等候鸟每年
都在春秋两季分别从南方飞回北京，又从北方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游
出几百几千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨别方向的？尤其是在茫茫的海洋上
。难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗？大量的和长期的观察研究表明，这些生物从
原居处远行后再回到原居处，的确是与地球磁场有关的，或者可能有关的。我们来看看一些
观察研究的情况。
首先关于鸽子的观察研究。曾将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的铜块，
在远离鸽巢放飞后，绑有铜块的鸽子全部都飞回鸽巢，但大部分绑有永磁铁的鸽子却迷失方
向而未返回鸽巢。这表明永磁铁的磁场干扰，使鸽子不能识别地球磁场。又曾将一组鸽子放
置在鸽巢和与鸽巢的地球磁场相同的地磁共轭点(距鸽巢数千公里)之间的中点处，放飞后这
些鸽子大约有一半飞回原来的鸽巢，其余的鸽子却飞到鸽巢的地球磁场共轭点处了。
这表明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢的。还有一些观察显示，鸽子在无线电台等强电磁场
附近常会迷失方向。这表明强的电磁场会干扰鸽子识别地球磁场。
其次关于海龟回游的观察研究。对出生在美国东南海岸的一种海龟游动进行的观察显示，幼
海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依
靠什么导航呢？有的观察研究者认为同地球磁场有关，并进行了这样的实验研究。在装有海
水并加上人造磁场的大容器中，观测到磁场的确影响海龟的航行。当人造磁场反向时，海龟
的游动也反向。这表明磁场是影响海龟的航行的。但是磁场影响海龟航行的程度和机制等都
是需要进一步研究的。
磁性细菌的磁导航
在20世纪70年代，一位美国博士生在研究细菌时偶然观测到一种水生细菌总是朝北方和
一定深度的水下游动。这一奇特现象引起了他和后来更多的研究者的关注。对这种后来称为
磁性细菌或称向磁性细菌的大量的观测和研究取得了许多重要的结果。
首先，分别在北半球的美国、南半球的新西兰和赤道附近的巴西对这种磁性细菌的观测研究
表明，这种磁性细菌
在北半球是沿着地球磁场方向朝北和水下游动，而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南和水
下游动，但在赤道附近则既有朝北游动的，也有朝南游动的。
其次，细菌体分析研究表明，在这种长条形细菌体中，沿长条轴线排列着大约20颗细黑粒
。这些细黑粒是直径约50纳米的强磁性Fe3O4。
最后，将这种细菌在不含铁的培养液中培养几代后，其后代体内便不再含有Fe3O4
细粒，同时也不再具有沿地球磁场游动的向磁性了。总之，这些观察、实验和研究表明，磁
性细菌所表现的沿地球磁场游动的特性是同细菌体内所含的强磁性Fe3O4(也可称为
铁的铁氧体)分不开的。
如果进一步再问：为什么这些强磁性铁氧体颗粒的直径总是在50纳米左右，而不是更粗
或者更细的颗粒？为什么这些磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向会分别向北和向南
？目前的研究是这样说明的：这种强磁性铁氧体(Fe3O4)颗粒在50纳米附近正好形
成单磁畴结构，可得到最佳的强磁性。
从以上的介绍可以看出，在生物世界里，磁是普遍存在的，而且在许多情况下，磁还起着重
要的作用。