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环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本条件，环境问题已成为当今世界关注的重大问题。在这一前提下产生的环境物理学，是一门由环境科学与物理学发展起来的交叉学科。它是用物理学的观点来研究发生在大气圈、土壤圈、生物圈、水圈、冰雪圈等环境中的物理现象、规律及物质和能量的输运过程，研究大气热力学与动力学过程、大气中辐射与湍流、污染物的输送、能源与环境等问题并建立物理模型，研究声、光、振动、电磁场和射线等对人类的影响以及控制、防护或消除这些影响的技术途径。物理学与环境有着密切的关系，环境的运行机制，环境问题的成因、危害及其防护手段等都体现了物理学知识和技术的应用，因此物理学是环境科学的基础。本章将介绍人类活动与环境的相互作用，环境的物理运行机制、生态平衡、人类面临的环境问题。第一部分 人类活动与环境的相互作用人类的生活有赖于环境，但在人类活动及人类对自然的改造过程中又对环境造成了破坏。本节简要介绍环境的概念，并对人类活动与环境相互作用进行历史性的回顾。一、什么是环境环境是指围绕生物群的空间以及直接或间接地影响生物生存和发展的各种自然因素和社会因素的总体或者说是以人类社会为主体的外部世界的总体。这里所说的“外部世界”既包括自然要素，如阳光、大气、陆地(山地和平原)、水体（河流、湖泊、海洋等）、森林、土壤、矿藏、草原、水生生物和野生动植物等，也包括人类加工改造过的自然要素，如城市、居住区、水坝、港口、交通、名胜古迹、风景园林等等，而且还包括上述物性要素和社会因素所构成的系统及其所呈现的状态。人类所居住的地球，自内向外呈圈层结构。与人类关系最密切的是地表几个圈层，包括岩石圈、大气圈、水圈三个基本圈层，及在三个基本圈层相互作用、相互制约、相互转化的交错圈层上产生的土壤圈和生物圈，它们共同组成了人类的自然环境。人类的生存环境又主要指自然环境中的生物圈，它主要位于上起大气圈下部的对流层顶部，下至岩石圈表面层，一般包括地表以上10km和海洋表面以下11km范围。生物圈是地球上所有生物（包括人类）及其生存空间与环境的总体，也可以说是指供一切生物生存的地球的表面层。这个表面层里有空气、水、土壤和岩石，能维护生命。由于生物同环境的相互作用，经过100多万年的进化，形成了今天的生物圈。它是自然界的一个基本活动单元，包括不同的生物（动植物、微生物）和自然紧密结合的有机体以及它们的无生命环境。但是随着科学技术的发展，人类活动的空间已远远超出这个范围，但核心依然是生物圈，因为在这里才能提供人类正常生活所必需的基本物质条件如空气、水、食物等。人类的生存环境也不同于动植物的生存环境，它体现着自然因素和社会因素的共同作用，是人类周围所有事物和力量的总和。二、人类活动与环境的相互作用环境既是人类赖以生存和发展的基础，也是人类开发利用的对象。人类是环境的产物，又是环境的改造者。人类与环境始终处于一种相互影响、相互作用、相互依存的关系之中。在人类历史发展的早期，环境问题虽然已经存在，但人类活动对环境所造成的影响大多只限于局部区域，这种影响不至于成为人类社会生存和发展所最优先考虑的问题。古代人类对自然环境十分依赖，人类活动只是利用环境而很少有意识地去改造环境，一般以采集和捕获自然食物的方式与环境进行物质和能量的交换。当时存在的环境问题主要就是人口的自然增长而增加了人类对食物的需求，以致于滥用环境资源而造成生活资料缺乏所引起的饥荒。后来，为了解除这一环境威胁，人类被迫扩充食物来源，或者扩大自己的生活领域，迁徙到更适宜生存的地方。为了得到更加丰富的食物，人类不仅积极有效地利用了环境，同时也在有意识地改变着环境。人类逐渐摸索出了如何去创造生产工具、发展生产技术、改变生产方式，以获得物质财富。随着人类学会了驯化动物、培育植物及使用生产工具，于是有了农业和畜牧业，这在人类生产发展史上是一次重大的进步。由于农、牧业的发展，人类改造环境的作用日益明显，也就出现了相应的环境问题，因改善住居条件而盲目地大量砍伐森林，因开垦土地而破坏草原、植被，从而引起严重的水土流失，使大片沃土沦为沙漠，导致水旱灾频繁等等人类活动和环境的相互影响是由人类社会发展状况和环境条件的不同所决定的。自然环境的存在和发展完全按照自身的规律进行，而人类的生存和发展不仅受生物规律的支配，还受社会规律的影响和制约。由于这种区别和差异的存在，在自然环境的客观属性和人类的主观愿望及要求之间、在自然环境的客观发展过程和人类有目的的生产和生活活动过程之间，就不可避免地产生和存在着种种矛盾。人类就是在与环境的不断矛盾和抗争中发展起来的。随着人类的不断进步和发展，自然环境也相应地发生了巨大改变。当人类具备了从全球尺度上改变环境的能力时，环境的变化也开始步入了一个独特的发展阶段。在这个阶段，环境变化不仅受到太阳和地球轨道变化以及地球内部变化等自然因素的影响，而且还受到人类活动的影响，环境的变化已经完全无法按照自身的所谓“自然轨迹”运行。这就使环境的变化越来越展现出一种不确定性，从而给人类社会的生存和发展提出了更严峻的挑战。20世纪以来，工业大革命的兴起，人类以空前的速度去改造环境和征服自然。恶性膨胀的城市带来了大量的生活垃圾、污水、工业废气及化学烟雾。工业的发展又必然导致对自然资源的掠夺性开采，大规模的露天采矿把大量的对人体有害的元素散落到地球表面，造成了对环境的严重污染和破坏，形成公害。环境问题是伴随着人口问题、资源问题和发展问题而出现的，人口剧增是环境问题产生的重要原因。生态破坏的主要原因是人类不能充分节约利用自然资源，过度地向环境索取，超出了自然环境的承载限度。直到20世纪50年代后，环境问题的严重性才逐渐为人们所认识。科学技术是一把双刃剑。科学技术为人类创造了优越的物质生活条件，同时由于人类认识的不足和科学技术水平的限制，人类在利用科学技术改造自然的过程中也造成了对环境的破坏。近40年来，随着科学技术迅速地发展和生产力水平的提高，人类从自然界获取的资源越来越多，向自然环境排放的污染与日俱增，给人类的生活和健康带来了严重的危害，从而引发了世界性的环境问题。从某种意义上说，忽视环境因素的“科学技术”将阻碍社会的可持续进步。当前的主要环境问题主要是大气污染、水体污染、全球变暖、臭氧层破坏、水土流失、土地荒漠化、能源危机、物种灭绝加剧和生态平衡的破坏等，这些问题严重阻碍着全球经济的发展和和人类生活质量的提高，继而严重影响着人类的未来和生存安全。上述世界性的环境问题已引起全球许多国家的关注。30多年来，世界各国一直在研究人类与环境的关系，并形成了许多共识，人们的环境意识在不断增强。第二部分 环境系统的运行与生态平衡人类所处的自然环境包括太阳辐射、大气层、土壤、水系和植被等，环境系统的组成、物理状态以及物质和能量的传输过程是生态系统平衡和运行的基础。本节简要介绍地球大气的组成与结构、环境系统的物理运行机制、生态系统及其平衡。一. 地球大气物理系统1.地球大气的组成地球大气圈是地球表面最主要的圈层之一，主要由氮和氧组成。在地心引力、太阳辐射和大气运动的共同作用下，产生着复杂的运动过程，形成了适宜于生物繁衍生长的地球表面环境、温度和大气成分。大气中原来几乎没有氧，氧气是在地球上出现原始生命以后，主要由植物的光合作用产生的。光合作用时地球大气圈中的二氧化碳逐渐减少，氧气逐渐增多，同时在地球大气高层出现了臭氧层，从此地球上的生物开始繁衍起来。地球大气由多种气体混合组成，主要包括干洁大气、水汽和气溶胶三种形态。在85公里高度一下各种气体成分中，一般分为两类。一类是基本不变成分，主要是氧、氮、氩及微量惰性气体，各成分大致保持不变 ；另一类是可变成分，包括水汽、二氧化碳和臭氧，其中二氧化碳和臭氧占的比例小。水汽比例随时间、地点而变，并有相变，是形成局域地区天气变化的主要原因。二氧化碳和臭氧的含量的变化也影响气候和生物的安全，特别是近年来出现的温室效应和臭氧洞，已引起人们的广泛关注。此外，还有一些如一氧化碳、二氧化氮、甲烷、二氧化硫等微量的碳、硫、氮化合物，尽管含量少，但对人类的健康和环境的影响很大。随着人类活动的增加和生产力的发展，这些化合物的浓度在不断增加。干洁大气或干空气中，氮、氧、氩三种气体占了空气容积的99.996%。大气中的氧气主要来源于植物的光合作用，植物吸收二氧化碳放出氧气。而有机物的呼吸和腐烂以及燃料燃烧又吸收氧气、放出二氧化碳。因此在生物圈中，碳循环和氧循环是密切相关的。臭氧是高层大气中O2吸收太阳紫外辐射光子或被光子碰撞离解出的氧，再与其它O2结合的产物（O3），主要分布在10-50公里高度处。臭氧对微生物具有极强的杀伤力，对太阳紫外辐射具有强烈的吸收作用。臭氧层因吸收和阻挡部分太阳紫外辐射能量，能使地球表面平均温度降低1-2℃，也保护了地球上的生命。如果没有臭氧层的存在，地球生物圈就不可能存在。近年在南极、北极和我国青藏高原上空相继发现臭氧洞，这不得不引起人们的高度警惕。大气中的碳、硫、氮化合物，虽含量少，但它们可以影响大气的辐射平衡，有的能形成改变土壤化学成分的酸雨，有的对人体和动植物产生直接危害。碳的化合物中，最重要的是二氧化碳。它对大气的能量平衡和气候变化起着重要作用。海洋是全球大气圈中二氧化碳浓度的“调节器”。高纬度寒冷洋面主要起吸收二氧化碳的“汇”的作用，而热带低纬度洋面则是释放二氧化碳的源，深海水流能把一部分二氧化碳从高纬度区域带向低纬度区域。因此，二氧化碳是在地圈（地壳）、大气圈（大气层）、水圈（海洋）和生物圈之间循环的。大气中二氧化碳含量的变化主要是人类对煤、石油、天然气等燃料的燃烧所引起的，火山喷发及碳酸盐矿物、浅地层土壤也释放二氧化碳，但相对于燃料燃烧的而言是微量的。二氧化碳能强烈地吸收地球表面发出的长波长辐射，并放出长波辐射能，从而产生“温室效应”而改变大气热量平衡和影响全球气候。其后果是，大气上升1～2℃，从而使极地冰川融化，洋面升高数米，海水淹没沿海城市和土地，形成严重干旱、洪涝灾害性天气。当然，气候变化不仅仅是二氧化碳浓度升高引起的，还有其它因素。大气中硫化物主要是二氧化硫和硫化氢。硫化物来自于地球表面，土壤分解、生物体腐烂、火山爆发噢度可能释放二氧化硫和硫化氢。但目前，它们主要还是人类在燃烧煤和石油时释放的，大城市、工业区的二氧化硫浓度相当大。二氧化硫及其生成物产生的酸雨对生态环境会产生严重危害。氮化合物也是酸雨的重要成分，工业及交通工具在使用燃料的过程中都要释放NO2和NO1等氮化合物，它们能溶于雨滴中生成硝酸及硝酸盐降落到地面。大气中水汽来自地球表面（海洋表面）及陆地的水的蒸发。蒸发的水汽上升到凝结高度凝结成云，形成降水后又降到陆地和海洋上。降到落地的水，一部分流入和硫、湖泊，一部分渗入地下而成为地下水，然后又从河流和地下径流流入海洋。水汽在环流作用下，在大气、陆地和海洋之间周而复始地循环。大气中的水导致云、雾、雨、雪、雹等复杂的天气现象。水汽饱和，则形成降水。2.大气层结构大气系统是一个热力学系统，该系统是研究地圈、水圈和生物圈的物质、能量循环的基础，为了简化，有时可看成是理想气体系统。地球大气圈为层状结构。常用的分层方法如下：（1）按大气的温度结构分为对流层、平流层、中层和热层。对流层是最接近地球表面的一层大气。在大气吸收的总能量中，直接吸收的太阳辐射能约占10%，吸收地面发射的红外辐射约占90%。底层大气受到地面加热，产生强烈的垂直运动。对流层内集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽，又有强烈的垂直运动，因此主要的云雾雨雪天气都发生在这一层内。对流层是生物圈中对人类生产生活影响最大的一层。由平流层向上50公里左右的高度称为平流层。平流层水汽含量少，对天气的影响几乎没有。从平流层顶到80～85公里称为中层。中层内大气对太阳辐射的吸收少，温度随高度降低，到顶部温度只有180K。该层是地球大气圈层中最寒冷的部分。中层内水汽极少。还由于尘埃很少，大气的透明度很高。热层是中层以上的大气层。太阳辐射中波长小于0.17微米的紫外线几乎被分子氧和原子氧吸收而使该层温度升高。此外，太阳的微粒辐射和宇宙射线也影响该层的热状况。在100公里以上，大气的热传输主要是热传导过程。热层温度越1000K以上，是大气中温度最高的层。（2）按成分结构，可分为均质层、非均质层。从地球表面到80公里左右包括对流层、平流层、中层在内，由于湍流扩散作用是大气混合均匀。除臭氧等可变成分外，大气的各种成分比例在垂直方向和水平方向都保持不变。这一层称为均质层。均质层以上的大气层称为非均质层。在这一层内，由于重力作用及光化学作用，平均密度随高度减少。地球大气的绝大部分质量集中在包括对流层和平流层在内的50公里以下。另外按大气的电离结构还可分为电离层和磁层，按大气压力结构可分为气压层和外大气层。整个大气层与外界（地面和大气层外）有物质（如水汽等）和能量（如辐射能）交换，因而是一个开放的热力学系统。所谓开放系统是指与外界既有能量交换又有物质交换的系统。如果忽略物质交换时，则可视为封闭系统。所谓封闭系统是指只与外界有能量交换而没有物质交换的系统。而孤立系统是指与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。描述大气系统状态和物理性质的物理量主要有大气压强、温度、密度、湿度和辐射等，这些物理量在大气中都处于变化之中并彼此相互制约。3.标准大气模型地球大气的空间状态是复杂的，大气的温度、密度和压强等随高度是变化的。这些参数对天气预报、航空、军事和空间科学都十分重要。因此人们通过高空探测的资料和理论，规定了一种特性随高度平均分布且最接近实际大气状况的大气模型，称为标准大气模型。在这个模型中，假定大气是干燥的，在85公里以下是均匀混合气体，把空气作为理想气体处理，且处于静力学平衡，。海平面大气的常用特性值如下：空气平均摩尔质量为28.9644kg.kmol-1，重力加速度g0=9.80665m.s-2，大气压强P0=1.01325×105Pa，大气密度ρ0=1.2250kg.m3，大气温度T0=288.15K。二 .环境系统的物质、能量传输与交换过程地球环境与大气系统的能量主要是太阳的辐射能，它从根本上决定了地球环境与大气系统的热力学状况。在这个系统中，任何物体都以电磁波的形式向外辐射电磁波能量，同时也接受来自周围的电磁波能量。地球上的大气运动和一切生物的活动能量都来自于太阳。它不断地进行着氢核聚变，因此有巨大的能量向外辐射，不仅发射电磁辐射，还有很强的微粒辐射。太阳活动的强弱具有周期性，它直接影响到地球对太阳辐射的接受，也是引起气候变化的一个原因。地球除了自转外，还不停地绕太阳公转，于是地球上产生了昼夜的交替和季节的变化。根据太阳直射与斜射的程度、昼夜长短随纬度的不同和随季节的变化，可把地球南北半球各分成三个纬度带，即热带、温带和寒带。土壤圈与大气圈、生物圈有着密切的联系。地面吸收太阳的能量会使土壤的温度升高，使水分蒸发，进而导致土壤中热量和水分的流动，还能使土壤中的气体扩散。土壤中的热、水、气的流动形成了与植物、小动物和微生物生存密切相关的土壤气候。土壤中的热流量影响土壤温度。土壤温度与近地层空气温度有关，反之也然，它们都深刻地影响着局域气候和植物的生长。土壤的热学性质主要由导热率、热容量描述。地球表面(陆地、海洋)与大气之间动量、热量和水汽通量的输运对大气环流和气候有重要影响。湍流交换或混合构成了地球—大气之间质量、能量和能量的交换机制。海洋界面比陆地界面均匀得多。海洋与大气相互作用能在多种时间和空间尺度上导致动量、物质和能量的交换。一方面，海洋是大气水分循环中水汽的主要来源，另一方面海洋表面受大气风的拖动作用而引起风驱动的洋流。再之，由于海洋热容量大，故海洋具有贮存巨大能量的能力。地球表面植被的分布及其与大气之间的物质、能量的输运对局域气候也产生着重要的影响。植被冠层内太阳辐射状况对植物的生长和产量的形成十分重要。因此，太阳辐射是决定植被冠层生命活动过程的重要因素之一，也是影响植被冠层生产力的主要生态因子。森林植被对大气边界层结构、大气环流等有重要作用。生物圈与大气圈物质、能量输运的陆面物理过程主要表现在三个方面：一是陆地表面与大气之间的辐射能量交换，二是陆地表面粗糙元对大气运动的摩擦拖动作用，三是陆地表面与大气之间的感热和潜热交换。水是不断输运的重要物质，蒸发从地球水面、土壤以及雪原上连续不断地发生，土壤中的液态水被植物吸收后通过蒸腾作用以水汽的形式释放到大气中。来自土壤的蒸发和来自植物的蒸腾过程和称为蒸散。蒸散是水循环的基本环节，而且在水的相变过程中涉及到大量的能量转移。在近地面层时刻进行着水的循环和热能循环两个基本物理过程，它们直接影响局域气候和生态系统。三、生态系统与生态平衡1 .生态系统及其组成和分类一个物种在一定空间范围内的所有个体的总和称为生物种群，所有不同种群的生物的总和称为生物群落，生物群落连同其所在的物理环境则共同构成生态系统。也就是说，生态系统是生命系统各部分之间、生命系统与环境系统之间相互作用和相互制约且不断演变而在特定空间达到相对稳定状态的一种组合。其特征是生态系统内部及其与外部之间存在着能量的流动和由此推动的物质循环。生态系统是多样化的，如一片森林、一片草原、一个湖泊、一条河流等都是生态系统。按其环境特点，生态系统可分为陆地生态系统、水域生态系统。其中陆地生态系统，根据植物群落的特点和结构，又可分为森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统和冻原生态系统等。水域生态系统则包括海洋生态系统、淡水生态系统、湖泊生态系统、河流生态系统、湿地生态系统、岛屿生态系统等。按照形成条件，生态系统可分为自然生态系统（如原始森林、河流、山脉等）、人工生态系统（如水库、农田、城市、乡村、工矿区等）和半自然生态系统（如放牧的草原、人工森林、养殖湖泊等）。生态系统具有等级结构，即较小的生态系统组成较大的生态系统，简单的生态系统组成复杂的生态系统，最大的生态系统是生物圈。各种生物在生态系统中发挥其各自的作用，充当不同的生命角色即生产者、消费者和分解者。生产者的主体是绿色植物以及能够进行光合作用的菌类。生产者吸收太阳能并利用无机营养元素（碳、氢、氧、氮等）合成有机物，将吸收的一部分太阳能已化学的形式贮存在有机物中。消费者主要指动物，它直接或间接利用生产者所制造的有机物作为食物和能源。分解者主要是细菌和部分真菌，它们以动植物残体或排泄物中的有机物作为食物和能量来源，通过新陈代谢作用，把有机物分解为简单的无机物并最终还原为植物可利用的营养物。2. 生态系统的物质循环与能量流动在生态系统中，物质从物理环境开始，经生产者、消费者和分解者，又回到物理环境，完成一个由简单无机物到各种高能有机化合物，最终又回到简单无机物的生态循环。通过该循环，生物得以生存和繁衍，物理环境得以更新并变得越来越适合生物存在的需要。在这个物质的生态循环中，太阳能以化学能的形式被固定在有机物中，供食物链上的各级生物利用。推动生物圈和各级生态系统物质循环的动力，是能量在食物链中的传递即能量流。与物质的循环运动不同的是，能量流是单向的，它从植物吸收太阳能开始，通过食物链逐级传递，直至最后一环。在每一环能量转移的过程中都有一部分能量被有机体用来推动自身的生命活动（新陈代谢）,随后变为热能耗散在物理环境中。生态系统中各种生物数量按能量流的方向沿食物链递减，处在最基层的绿色植物的量最多，其次是食草动物，再次是各级食肉动物，新成一个生态金字塔。只有当生态系统生产的能量与消耗的能量大致相等时，生态系统的结构才能维持相对稳定的状态，否则其结构就会发生剧烈的变化。3. 生态平衡每一个生态系统都在不断地进行能量交换和物质循环。所谓生态平衡是指在一定时间内，生态系统中的生物与环境之间，每个生物种群之间，通过能量流动、物质循环和信息传递，使它们相互间达到高度适应、协调和统一的状态。在生态平衡状态下，生态系统结构处于相对稳定的状态，其物质和能量输入输出接近相等。这种稳定表现在两个方面：一是生物种类（动物、植物、微生物）的组成和数量相对比例稳定，二是物理环境（空气、阳光、水、土壤等）保持相对稳定。生态平衡是一种动态平衡，生态系统的各个组成成分都在按一定的规律运动着、变化着，系统中能量在不断地流动，物质在不断地运转，整个系统时刻处于动态之中，生物个体会不断发生更替，但总体上看系统保持稳定，生物数量没有剧烈变化。生态系统之所以能够保持动态平衡，主要是由于其内部具有自动调节能力，例如环境对污染有自净能力。但是生态系统的调节能力再强，也是有限度的。超过了一定限度，生态系统的平衡就会受到破坏，比如一些物种的种群规模发生剧烈变化甚至可能消失，也可能产生新的物种。但这种变化会带来不利的后果，导致生态系统的调节能力被削弱。生态平衡破坏的原因有自然因素，也有人为因素。自然原因主要指自然界发生的异常变化，如火山爆发、山崩海啸、水旱灾害、地震、流行病等等。人为因素主要指人类对自然资源的不合理利用和工农业生产的大量污染物进入环境。人类对生态系统的破坏影响主要表现在三个方面：一是大规模地把自然生态系统转变为人工生态系统，严重损害了生物圈的正常运行，如过度的农业开发、围湖造田、城市化等；二是过量取用生物圈中的各种资源包括生物的和非生物的，如森林砍伐、动物捕猎、过度利用水资源等；三是向生物圈大量输入人类活动的产品核废物，严重污染核毒害了物理环境核生物组分包括人类本身，如化肥、杀虫剂、除草剂、工业三废和生活垃圾等。生态平衡破坏的结果是，动植物生存环境因素和信息系统破坏，影响生物繁殖，造成生物物种的组分改变，一些物种减少或灭绝，另一些物种突然出现或剧增。生态系统失去平衡，会发生严重的连锁性后果。如，五十年代，我国曾发起把麻雀作为四害消灭的运动，在大量捕杀麻雀后的几年里，却出现了严重的虫灾，这是因为害虫没有了天敌而大量繁殖的结果。我国大炼钢铁时期，大量砍伐森林，使植被破坏，造成水土流失和水调节能力破坏，以致于留下洪涝、旱灾、沙尘暴等频发的隐患。生态平衡的破坏带来的恶果是很难弥补的。因此人类活动要遵守生态平衡规律，维护生态平衡。第三部分 人类面临的环境问题由于人类活动与环境的相互作用，造成了许多环境问题。分析这些环境问题产生的原因及其危害，有利于增强人们的环境保护意识。本节将分别阐述目前人类所面临的若干环境问题包括自然灾害、化学物质污染、物理性污染、能源问题和生物多样性锐减等，以期得到环境问题的解决对策。一、自然灾害“自然灾害”属于自然发生的环境问题，是指发生在自然界中的异常现象。有地震、火山爆发、泥石流、海啸、台风、洪水等突发性灾害，也有地面沉降、土地沙漠化、干旱、海岸线变化等在较长时间中才能逐渐显现的渐变性灾害。认识自然灾害，有助于人们对环境的关注和加强对生命的保护。这些自然灾害有的是在自然规律的作用下发生的，有的则和人类对环境破坏之间又有着复杂的相互联系。例如洪灾、旱灾土地沙漠化以及泥石流与人类对植被的破坏有直接关系，森林和植被的破坏导致水土流失、蓄水能力减弱等是重要原因。地震、海啸、火山爆发、台风等自然灾害的发生是有规律可循的，可以通过科学仪器预测的，准确的预报可以大大减少损失。二、化学物质污染在人类的各种活动过程中，由于不断地向环境中排放化学物质。大量的化学物质的排放而超过了环境的自净能力时，环境质量就会发生不良变化，从而危害人体健康，也影响人类对环境资源的利用。这类污染称为化学污染。化学污染主要有大气污染、水体污染、土壤污染以及臭氧层破坏等1. 大气污染对环境污染最严重的算是大气污染。大气（由混合气体、水汽气和杂质组成）除去水汽和杂质，其主要成分是氮气（占78.09%）、氧气（占20.94%）、氩气（占0.93%）及其它各种含量不到0.1%的微量气体(如氖、氦、二氧化碳、氪等 )。在干洁的大气中，微量气体的组成也许微不足道，但在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质时，就可能对人、动物、植物产生不利影响和危害。大气中一些物质的浓度达到一定程度时，就会破坏生态系统、危害人类正常生存和发展，这种情况叫做大气污染。造成大气污染的原因，主要是工业废气、燃烧、汽车尾气和核爆炸等。大气污染的主要污染物是烟尘和有害气体，主要来源于燃料燃烧（包括交通污染源）和大规模的工矿企业的废气排放包括：颗粒物， 指大气中液体、固体状物质，又称粉尘；硫氧化物，主要有二氧化硫、三氧化硫、三氧化二硫、一氧化硫等；碳的氧化物，主要包括二氧化碳和一氧化碳；氮氧化物，包括氧化亚氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮等；碳氢化合物，如甲烷、乙烷等烃类气体；其它有害物质，如重金属类、含氟气体、含氯气体等。对大气污染起主要作用的颗粒状污染物质。由化工厂、冶炼厂等排放出来的颗粒状污染物质(氯化铵、氧化锌、氯化镁、二氧化硫雾滴、油状烟雾及碳黑等)的粒度，大多数在1μm以下。粒度在0.3~0.6μm之间的各种浮游物，它们能吸收光线并引起光散射，成为污染区域内视程恶化的主要原因，使得生活在大城市的人们很难看到蔚蓝的天空。大气中的污染物对局部地区和全球气候都会产生一定影响，尤其对全球气候的影响。燃料中含有各种复杂的成分，在燃烧后产生各种有害物质，即使不含杂质的燃料达到完全燃烧，也要产生水和二氧化碳。正因为燃料燃烧使大气中二氧化碳浓度不断增加，破坏了自然界二氧化碳的平衡，以至引发“温室效应”使地球气温上升。污染物质进入人体，会破坏人体的平衡机制，引起各种疾病。2. 水体污染水是生命之源。现估计地球上水的总量为13.6亿立方千米，其中97.3%是不能直接饮用或工业用的海洋咸水，淡水只占2.7%。淡水资源中冰山、冰冠中的水占77.2%，地下水和土壤中水占22.4%，湖泊、沼泽水占0.35%，河水占0.01%，大气中的水占0.04%，便于取用的水只是河水、淡水湖泊的水和浅层地下水，仅占地球总水量的0.2%左右。为数不多的水量的时空分布及水质的优劣，直接制约着万物兴衰，影响着人类的生存和发展。由于一定量的污水、废水、各种废弃物等污染物质排入水域而超出这些水体的自净能力时，水质就会变坏，称为水体污染。常见的水体污染物有：（1）病原性微生物，如伤寒杆菌、痢疾杆菌、霍乱弧菌等，将引起传染病的流行传播；（2）植物营养物，如氮、磷、钾等引起水质富营养化，恶化水质；(3)无机化合物，如酸、碱、盐等，进入人体引起疾病，也影响农用水质，导致作物品质退化；（4）各种油类物质，阻碍水体复氧能力，破坏水的自净作用；（5）有毒化学物质，主要是重金属和难溶于水的有机物；（6）原子能反应堆排出的放射性物质。常见的水污染途径有：工业生产废水排放；城市生活污水排放；农用污水灌溉；固体废物或废物垃圾经水溶解或随雨水流入水体；工业烟尘直接降落被雨水淋洗流入水体；天然污染源使水体污染本底含量高，等等3.土壤污染土壤是陆地表面能够生长植物的疏松表层，是生命活动中不可或缺的重要物质。土壤由矿物质、有机物质、水和空气组成，因此土壤是十分复杂的系统。土壤圈在环境中起着如下几个方面的作用：（1）土壤中生活着各种各样的微生物和土壤动物，对从外界进入土壤中的各种物质可以进行分解、转化和改造。因此可以说土壤是一个净化系统，或者说土壤具有自净功能。（2）土壤中存在着一个较复杂的胶体系，通过吸附、代换等过程，对环境中的分子态和离子态物质起着蓄积的作用。土壤又是一个多孔体，对外来物质起着“过滤”的作用，使之存留于土壤之中。（3）土壤中的污染物可能通过植物吸收而转移到植物体内，再作为食物传递给人体。工业和生活中的大量废物、废水、废渣，农用化肥、农药品种和数量的增加，会使土质改变，影响土壤物质循环。当某些污染物质在土壤中累积到一定程度，超出了土壤的自净能力时，就会破坏原来的生态平衡，土壤质量变坏，称为土壤污染。它表现为污染物在土壤中大量累积，直接或间接危害植物的生长，使某些有害物质在植物中累积而影响其经济价值和造成对人体的危害。土壤联系着有机界和无机界。土壤质量的好坏将会直接或间接影响到植物生长及其质量，并通过食物链而影响到人体的健康。此外，土壤是自然环境的一个重要因素，土壤污染对地面水、地下水、生物、大气等环境要素有直接或间接的影响。土壤是绿色植物的生长基地，绿色植物对净化人类生存环境是极为重要的。绿色植物在环境保护中能净化空气，降低有害气体浓度，减少空气中的细菌和灰尘，净化污水，保持水土，涵养水源，调节气候，防风固沙，保持农田等。一些科学家经过认真的研究认为，假如世界上没有森林，陆地上生物产量的91%将消失，450万个生物物种将灭绝；全世界70%的淡水将白白流入大海，人类将会出现水危机；许多地区将发生洪水灾害；大批农田、城市将被洪水淹没；空气污染、太阳辐射将增加，人类将无法生存。总之没有森林就没有人类。近十几年来，世界森林资源遭到了严重的破坏。据估计从1950年到1975年，世界森林覆盖面积已由50亿公顷减至26亿公顷，缩小了近一半，而且仍以每年2000万公顷的速度被破坏。由于滥伐森林，滥垦草原和气候变化等因素，土壤植被遭严重破坏，水土大量流失，在干旱和半干旱地区，使大片大片的土地沙漠化。现在沙漠化威胁着全球三分之一的陆地面积。4. 臭氧层的破坏大气臭氧层的破坏被认为是人类当前面临的最严重的全球环境问题之一。臭氧是地球大气中的一种微量气体组分，是一种淡蓝色具有特殊臭味的气体，其总量只占大气的百万分之几。它是氧气的同素异形体，化学式为O3，大部分臭氧出现在离地面10~50km处，而最集中是在离地面20~30km的大气平流层中，被称为大气臭氧层。臭氧起着净化大气和杀菌的作用，并可以过滤掉大部分有害的紫外线，减少对地球生态系统和人体的伤害，因而臭氧是地球生命的“保护神”。1985年，英国国家环境研究委员会南极考察队的科学家乔·福曼等人首次向世界报导，1980—1984年间，南极上空出现了臭氧洞。所谓南极臭氧洞是指南极地区上空大气臭氧总含量季节性大幅度下降的一种现象，井非真正出现了洞。为了给臭氧洞一个相对明确的定量化概念， 世界气象组织（WMO）建议将臭氧总量下降至200个臭氧单位以下的区域称为臭氧洞。更令人们担心的是， 1987年科学家又发现在北极的上空也出现了臭氧洞。我国科学家通过卫星资料和实地考察，于1999年发现青藏高原上空夏季有一个“臭氧低谷”的存在，这一重大的科学发现首次揭示出在地球中低纬度上空大气臭氧损耗的现象。2000年9月3日南极臭氧洞面积达到2830万平方千米，相当于美国领土面积的3倍，是迄今为止观测到的最大的臭氧洞。是谁破坏了臭氧层？基于大量研究结果，科学家们已清楚地认识到破坏臭氧层的罪魁祸首不是自然界本身，而是人类自己。科学研究证实，现代工业向大气中释放的大量氟氯烃(CFCs)和含溴卤化烷烃哈龙(Halon)是引起臭氧减少的主要原因。氟氯烃即氟利昂，这种物质在大气中无味，在使用时对机器装置无腐蚀作用，对人体也无毒性。氟氯烃正常情况下为气体，高压下可变成液体。这种化学产品最初的用途是作为致冷剂，用在致冷的冰箱和空调的装置中。后来，人们又发现了氟氯烃可以用来压缩气体导致喷射，用作喷雾剂，还利用其抗冷与热的性能制成了软橡胶。以后随着工业的发展，性质稳定、不易燃烧、价格便宜的氟氯烃物质以及性质相似的卤族化合物，不仅大量应用于各种致冷空调设备中，而且广泛应用于灭火器、泡沫塑料及电子工业中，并且还帮助了计算机的革新。氟氯烃物质的出现，给工业生产和商业都带来了很大的生机，但直到1973年，一些科学家才开始想到一个问题，那就是这些化学性质很稳定而且被认为是无毒性的气体分子飘到那里去了? 经研究证明：当氟氯烃升至大气平流层后，在太阳光紫外线的催化作用下，释放出大量的氯原子。一个氯原子自由基以惊人的破坏力可以分解10万个臭氧分子，而且其寿命长达75~100年，而由含溴卤化烷烃哈龙（Halon）释放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的30~60倍，并且氯原子自由基和溴原子自由基的协同破坏力远远大于两者单独的破坏能力。此外，CCL4、CHCl3和氮氧化物(超音速飞机的尾气和农业氮肥的施用)以及大气中的核爆炸产物也能破坏臭氧层。紫外线的波长范围为40-400μm，其中 40-290μm为UV-C（紫外C）；290--320μm为UV-B（紫外B）；320--400μm为UV-A（紫外A）。波长越短能量越大，臭氧层能够吸收UV-C和部分UV-B。研究表明，如果大气中臭氧含量减少1％，达到地面的紫外线UV-B就要增加2％~3％。过量紫外线的危害如下：一是危害人类和动物的生命健康。当人体接受了超过其需要的UV-B剂量时，将导致白内障发病率增加，降低机体对传染病和肿瘤的抵抗能力，降低疫苗的应答效果，导致皮肤癌发病率爆发。二是改变植物的生物活性和生物化学过程，抑制植物的光合作用，降低其抵抗病菌和昆虫袭击的能力，降低农作物的产量和质量。三是危害水生生态系统。过量的UV-B会杀死水中的微生物，削弱吸收地球上产生的CO2的50％的海洋生物的机能，降低水体自净能力，减少海洋经济产品的产量和质量。 四是降低空气质量。当大气中臭氧含量减少25％时，城市光化学烟雾的发生率将增加30％。五是改变大气辐射平衡，引起平流层下部气温变冷大气环流的紊乱，破坏地球的辐射收支平衡。三. 物理性污染除前述化学物质污染外，物理性污染的后果也是严重的。物理性污染包括电磁污染、光污染、放射性污染、噪声污染、热污染等。1. 电磁污染电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波干扰，以及对人体有害的电磁辐射。天然电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，所辐射的频带分布极宽，雷电除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，还会在广大地区产生严重的电磁干扰。此外，火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等都会产生电磁干扰。天然辐射的强度一般对人类影响不大，雷电的瞬时冲击可致人、畜伤亡，但概率极小。可以认为自然辐射对人类并不构成严重的危害。人工电磁污染产生于人工制造的若干系统、电子设备与电器装置。人工电磁污染源主要有三种：（1）脉冲放电，如切断大电流电路时产生的火花放电。（2）工频交变电磁场，如大功率电机、变压器及输电线等附近的电磁场。（3）射频电磁辐射，如广播、电视、微波通讯等。目前，射频电磁辐射已成为电磁污染的主要因素。电磁辐射尤其是微波对人体健康有不利影响，主要表现在以下几个方面：（1）电磁辐射的致癌作用 部分实验动物经微波作用后，可以使癌的发生率上升。调查表明，在2MGs以上电磁场中，人群患白血病为正常的2.95倍，患肌肉肿瘤的为正常的3.26倍。实验证明，电磁辐射使某些人体组织出现病理性增生，使正常细胞变为癌细胞。（2）对视觉系统的影响 眼组织含有大量的水分，易吸收电磁辐射功率而产生白内障。强度更高的微波，则会使视力完全丧失。（3）对生殖系统和遗传的影响 电磁辐射可能抑制精子生成或破坏排卵过程，影响男性或女性生育能力。高强度的电磁辐射可以产生遗传效应，使睾丸染色体出现畸变和有丝分裂异常。怀孕妇女在早期或怀孕前，如果接受短波透热疗法，或从事计算机、电视机终端视频操作，婴儿可能出现先天性畸形。（4）对血液系统的影响 在电磁辐射的作用下，人体可出现白血球不稳定，主要是下降倾向，红血球的生成受到抑制，出现网状红血球减少。操纵雷达的人多数出现白血球降低。（5）对机体免疫功能的危害电磁辐射的作用使机体免疫功能降低，抵抗力下降。（6）引起心血管疾病 长期受电磁辐射作用的人，常发生血液动力学失调，血管通透性和张力降低，其心血管疾病会更易更早发生。（7）对中枢神经的危害神经系统对电磁辐射的作用很敏感，受其低强度反复作用后，中枢神经系统机能发生改变，出现神经衰弱症候群。（8）可以导致儿童智力残缺 世界卫生组织认为，计算机、电视机、移动电话等产生的电磁辐射对胎儿有不良影响。如果在胚胎形成期受到电磁辐射，有可能导致流产；如果在胎儿发育期受到辐射，也可能损伤胎儿中枢神经系统，导致其出生后智力下降。近来有越来越多的证据表明，手机所使用的无线电波，被人体吸收后产生热效应，会使局部组织的温度升高，若一次通话时间过久，而且姿势保持不变，也会使局部组织温度升高，造成病变。另外也有研究发现，经常使用手机，会有头痛、记忆力减退等症状，这是因为手机无线电波所形成的非热效应所造成。2. 光污染光污染是指各种光源（日光、灯光、各种反折射光及红外和紫外线等过量的辐射）对周围环境和人类生活和生产环境造成不良影响的现象。国际上一般将光污染分成3类，即白亮污染、人工白昼和彩光污染。（1）白亮污染 阳光照射强烈时，城市里建筑物的玻璃幕墙、釉面砖墙、磨光大理石和各种涂料等装饰反射光线，明晃光亮、眩眼夺目。有研究发现，长时间在白色光亮环境下工作和生活的人，视网膜和虹膜都会受到不同程度的的损害，视力急剧下降，白内障的发病率高达45%。还使人头昏心烦，甚至发生失眠、食欲下降、情绪低落、身体乏力等类似神经衰弱的症状。（2）人工白昼 夜幕降临后，商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，令人眼花缭乱。有些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，即所谓人工白昼。在这样的“不夜城”里，夜晚难以入睡，扰乱人体正常的生物钟，导致白天工作效率低下。人工白昼还会伤害鸟类和昆虫，强光可能破坏昆虫在夜间的正常繁殖过程。（3）彩光污染 舞厅、夜总会安装的黑光灯、旋转灯、荧光灯以及闪烁的彩色光源构成了彩光污染。据测定，黑光所产生的紫外线强度大大高于太阳光中的紫外线，而且对人体有害影响持续时间长。彩色光源让人眼花缭乱，不仅对眼睛不利，而且干扰大脑中枢神经，使人感到头晕目眩，出现恶心呕吐、失眠等症状。3. 放射性污染电离辐射也是一种严重威胁人类健康和生存的环境污染。我们知道，很多元素具有放射性，它们能自发地放射出α射线，β射线或γ射线，这是一种自然现象。实验证明，由放射性物质内部所放射出的α、β及γ粒子对生物的细胞具有极大的破坏性，当它们穿过生物体时，由于这些粒子具有极高的能量，能使生物体内的一些细胞分子发生电离，使电子从细胞内逃逸出来。由于它能破坏生物体内的细胞组织，所以对人体具有很大的危害性。通常把能使生物细胞产生电离的α、β及γ射线称为电离辐射。尽管X射线不是由物质的原子核内部发射出来的，但是因为X射线也具有足够的能量可能电离生物元素，所以把X射线也包括在电离辐射中放射性元素产生的电离辐射能够杀死生物体的细胞，妨碍正常的细胞分裂和再生，并且引起细胞内遗传信息的突变。受辐射的人在数年或数十年后，可能出现白血病、恶性肿瘤、白内障、生长发育迟缓、生育力降低等远期躯体效应；还可能出现胎儿性别比例变化、先天性畸形、流产、死产等遗传效应。4. 噪声污染噪声污染已成为当今世界性的问题，噪声以被公认为近次于大气污染和水污染的第三大公害。噪声的危害如下：（1）噪声对听力的影响噪声对人体的危害最直接的是听力。短暂的较强烈的噪声刺激可使人耳发生听觉疲劳。如果人们长期在强烈的噪声环境下工作，日积月累，内耳器官不断受噪声刺激，便可发生器质性病变，成为永久性耳聋。（2）噪声对睡眠的干扰睡眠是人们生存必不可少的。人们在安静的环境下睡眠，它能使人的大脑得到休息，从而消除疲劳和恢复体力。噪声会影响人的睡眠质量，强烈的噪声甚至使人无法入睡，心烦意乱。（3）噪声对人体的生理影响许多证据表明，大量心脏病的发展和恶化与噪声有着密切的联系，实验证明噪声会引起人体紧张的反应，使肾上腺素增加，因而引起心率和血压升高。噪声能明显影响消化功能，并使溃疡病的发病率大大增加。在神经系统方面，神经衰弱是最明显的症状，噪声能引起失眠、疲劳、头晕、头痛、记忆力减退等症状。噪声不仅影响听力，还影响视力。长时间处于噪声环境中的人很容易发生眼疲劳、眼痛、眼花和视物流泪等眼损害现象，同时噪声还会使色觉、视野发生异常。（4）噪声对人体的心理影响噪声引起的心理影响主要是烦恼，使人激动、易怒、甚至失去理智，因噪声引起的民事纠纷是常见的。噪声也容易使人疲劳，因此往往会影响精力集中和工作效率，尤其是对一些做非重复性动作的劳动者，影响更为明显。（5）噪声对孕妇、胎儿和儿童的影响接触强烈噪声的妇女，其妊娠呕吐和妊娠高血压综合症的发生率更高，而且由于噪声使母体产生紧张反应，引起子宫血管收缩，以致影响供给胎儿发育所必需的养料和氧气，导致新生儿体重偏轻。由于儿童发育尚未成熟，各组织器官都十分脆弱，更容易被噪声损伤听觉器官，使听力减退或丧失。长期暴露于噪声中的儿童比安静环境中儿童血压要高，智力发育略微迟缓，而且容易出现激动、缺乏耐受性、睡眠不足、注意力不集中等表现（7）噪声对动物的影响噪声对动物的影响十分广泛，这些影响包括听觉器官、内脏器官和中枢神经系统的病理性改变的损伤。（8）噪声对物质结构的影响根据实验，一块0.6mm 的铝板，在168dB的无规则噪声作用下，只要15min就会断裂。150dB以上的强噪声，可使墙震列、瓦震落、门窗破坏、甚至使烟窗和老建筑物倒塌，钢结构产生“声疲劳”而损坏。强烈的噪声使自动化、高精密度的仪表失灵，当火箭发射的低频率噪声引起空气振动时，会使导弹和飞船产生大幅度的偏离，导致发射失败。5.热污染热污染是指现代工业生产和生活中排放的废热所造成的环境污染。热污染可以污染大气和水体。20世纪70年代，科学家把“全球变暖”作为一个世界性问题提出来，主要强调人类进入工业社会以来，由于大量燃烧矿物燃料及破坏森林植被，造成CO2等温室气体增加，温室效应增强。其后果是：全球气温将升高，沙漠将更干燥，气候将更恶劣，厄尔尼诺现象将更严重，从而直接或间接影响数以亿计人们的生活。1. 温室效应大气中的CO2同水蒸气一样能使太阳辐射透过，但是CO2能吸收从地面辐射的红外线，使得大气升温。吸收了热量的CO2层还能将其热量再次通过长波辐射到地球表面，从而使得近地层温度升高，并能够在近地层大气中建立与外界不同的小气候。这些气体的影响作用类似于农业上用的温室的保温作用，因此称它们为温室气体，它们的影响则被称之为温室效应。地球大气的温室效应创造了适宜于生命存在的热环境。如果没有大气层的存在，地球也将是一个寂静的世界。除CO2外，能够产生温室效应的气体还有水蒸气、甲烷、氧化亚氮(N2O)及臭氧、SO2、CO以及非自然过程产生的氟氯烃(CFCs)、氢氟化碳(HFCs)、过氟化碳(PFCs)等。由于空气中水蒸气的含量比CO2和其他温室气体的总和还要高出很多，大气温室效应的保温效果主要还是由水蒸气产生的。但是有部分波长的红外线是水蒸气所不能吸收的，二氧化碳所吸收的红外线波长则刚好填补了这个空隙波长。水蒸气在大气中的含量相对稳定，而CO2的浓度却不能确定。自从欧洲工业革命以来，大气中CO2的浓度持续攀升，主要原因是化石类矿物燃料燃烧排放的CO2，全球由于此种原因产生的温室气体达到6000多万吨／天，这是“温室效应”加剧的主要原因。其次森林大火、火山爆发、发电厂、汽机车排出的尾气等也是促使大气中CO2浓度持续攀升的因素。随着大气中CO2浓度的不断提高，更多的能量被保存到地球上，加剧了地球升温。温室气体在大气中的停留时间(即生命期)都很长。CO2的生命期为50～200年，甲烷为12～17年，氧化亚氮为120年，氟氯碳化物为102年。这些气体一旦进入大气，几乎无法进行回收，只有依靠自然分解过程让它们逐渐消失，因此温室效应气体的影响是长久的、全球性的。从地球任何一个角落排放至大气中的温室效应气体，在它的生命期中，都有可能到达世界各地，从而对全球气候产生影响。即使现在人类立即停止所有人造温室气体的产生、排放，但从工业革命以来，累积下来的温室气体仍将继续发挥它们的温室效应，影响全球气候达百年之久。大气层温室效应的加剧导致了严重的全球变暖，这已是一个不争的事实。已有的统计资料表明，全球温度在过去的20年间升高了0.3～0.6℃。全球变暖，会对地球环境产生如下严重的危害：（1）冰川消退 海平面升高 温室效应导致的全球变暖，势必会造成一部分冰川消融，从而减少地表冰雪的覆盖面积，降低冰雪对太阳辐射的反射作用，因而地球将会获得更多的太阳辐射，从而又加剧大气层的温室效应，地表温度会继续升高，冰雪进一步大量消融。如果今后大气中CO2含量以每年0.7 ml/m3的速率增加，到21世纪中叶，地球上冰雪的覆盖面积将会降低一半以上，这将会对人类生存的地球环境产生不可想象的影响。长期的观测结果表明，由于近百年来海水温度的升高，海平面已经上升了约2～6cm。由于海洋热容量大，比较不容易增温，陆地的气温上升幅度将会大于海洋，其中又以北半球高纬度地区上升幅度最大，因为北半球陆地面积较大，从而全球变暖对北半球的影响更大。冰川的存在对维持全球的能量平衡起到至关重要的作用，对于全液态水量的调节也起到决定性的作用。如果两极的冰川持续消融，其所带来的后果对地球上的生命将会是致命的。（2）加剧荒漠化程度和洪涝灾害全球变暖会加快加大海洋的蒸化速度，同时改变全球各地的雨量分配结果。在全球变暖的大环境下，陆地蒸发量将会增大，这样世界上缺水地区的降水和地表径流都会减少，会变得更加缺水，从而加剧荒漠化；而雨量较大的热带地区，如东南亚一带降水量会更大，从而加剧洪涝灾害的发生。（3）危害地球生命系统全球变暖将会使多种业以灭绝的病毒细菌死灰复燃，使已控制的有害微生物和害虫得以大量繁殖，据世界卫生组织1996年的报告指出，在过去的20年中，至少有30种新型传染病出现。地球变暖，还会导致大量的动、植物物种的灭绝，从而对地球生命系统构成极大的威胁。已有的研究表明，地球演化史上曾发生多次变暖——变冷的气候波动，但都是由人类不可抗拒的自然力引起的，而这次却是由于人类活动引起的大气温室效应加剧导致的，其后果也是无法预知的，但不管怎样都会给生态系统带来灾难。2.城市热岛效应在城市建筑物最为密集的中心区域 ，温度最高，而郊区温度最低，温度分布像突出海面的岛屿，高温城市处于低温郊区的包围之中，这种现象被形象地称为“城市热岛效应”。城市气候与郊区气候比较，除“热岛”效应外，还有“混浊岛”、“湿岛”、“雨岛”效应，即五岛效应，其中最为显著的还是“热岛”效应。城市“热岛”效应是人类活动排放的大量热量与其它自然条件综合作用的结果。随着城市建设的高度发展，“热岛”效应越来越严重。究其原因如下：（1）下垫面（大气与地表交界面）特性的影响。城市大量的人工构筑如混凝土、柏油地面、建筑墙面等，吸热传热快而热容量小，在太阳辐照下，构筑物升温快(比绿地、水面快的多)并将热量迅速传给大气，日落后仍缓慢向空气中辐射热量，使得近地气温升高。这些高温构筑物是巨大的热源，烘烤着周围大气和人们的生活环境。（2）人工热源的影响。工业生产、居民生活等固定热源和交通、人群等流动热源不断向外释放废热。（3）城市大气污染的影响。机动车辆、工业生产产生大量的氮氧化物、碳氧化物、粉尘等改变了城市上空的空气组成，加剧了温室效应。（4）高层建筑物造成地表通风不良，夜晚散热慢。（5）自然下垫面的减少。城市中绿地、林木、水面等自然下垫面大量减少，而人工构筑物大量增加，导致下垫面不透水面积增大，可供蒸发的水分少，消耗与蒸发的潜热也少，获得的太阳能主要用于下垫面增温。城市“热岛”效应带来的影响十分严重。(1)夏季热岛效应加剧城区高温天气，降低人们工作效率，容易造成中暑。高温还加快光化学反应，加剧大气污染。(2)热岛效应会给城市带来暴雨、飓风、云雾等异常天气现象，即“雨岛”效应。(3)加剧城市能耗，增大用水量，从而又消耗更多的能源，造成废气热排放，进一步加剧热岛效应，导致恶性循环。（4）形成城市风。市区中心空气受热温度不断上升，郊区冷空气向城市补充汇流，这种对流运动就是城市风。热岛上空的空气又向郊区冷却扩散以抵消郊区低空空缺，从而形成一种局地空气环流。这样使扩散到郊区的废气、烟尘等污染物质重新聚集到城市上空，难于扩散稀释，加剧了城市大气污染。发展城市绿化、增加城市自然下垫面是缓解“热岛”效应的有效措施。绿地能吸收太阳能，而吸收的辐射能量又有大部分用于植物蒸腾耗热，从而降低环境温度。植物的光合作用能吸收二氧化碳，削弱温室效应。四、能源危机、生物多样性锐减能源危机也是一个重要的世界性环境问题。随着人口的急剧增加，人类对能源的消耗的增强速度是惊人的。现代工业社会相对于古代，人均耗能增长了110倍。世界能源需求不仅呈指数增长，而且增长速度越来越快。人类所消耗的能源基本上是不可再生的矿物能源，地球上的矿物能源储量是非常有限的，。如果不及时调整能源结构，不及时开发新能源和寻找替代能源，用不了多长时间，能源便会枯竭。因此，核能、太阳能、风能等能源的利用和开发，是今后的发展大计。生物多样性锐减也是目前一个严峻的环境问题。人类活动造成的生态平衡破坏是生物多样性锐减的主要原因。地球上曾经有生物物种1000万左右，现在每天有100种生物灭绝，这种趋势还在加剧。据统计，世界正处于灭绝边缘的哺乳动物有406种，鸟类有593种，鱼类有242种。生态系统是在一定空间中共同栖居着的生物与环境之间不断进行物质循环与能量流动过程而形成的统一整体。在自然条件下，生态系统总是朝着种类多样化、结构复杂化和功能完善化的方向发展。然而，人为的破坏使生物多样性不断下降，破坏了生态系统的结构与平衡，最终受害的还是人类自己。第四部分 加强生态环境保护，努力实现可持续发展严重的环境污染和生态破坏对经济社会发展带来负面影响。首先是经济损失巨大。我国专家上世纪９０年代中期和２００１年的研究表明，环境污染造成的经济损失约占当年ＧＤＰ的３％—４％。世界银行１９９７年发表的报告测算，中国仅大气和水污染造成的损失就约５４０亿美元（以１９９５年计），占同期
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学⑤物理医学诊断与治疗技术物理学在现代医学中已获得广泛的应用并构成了现代医学的重要基础，无论是疾病的预防、诊断、治疗，还是病因病理分析都离不开物理学技术、原理和方法。物理学极大地促进了医学的发展，各种现代化的医疗装备都是物理新技术的结晶，现代医学对物理学的依赖程度已越来越高。医学物理学就是把物理学的原理和方法应用于人类疾病预防、诊断、治疗和保健的交叉学科。物理学新成果与医学的结合逐渐形成了许多新的医学分支学科，如超声医学、放射医学、核医学、激光医学、低温医学、影像医学及生物医学工程学等。一些常规的医疗器械如医用无影灯、反光镜、显微镜及化验分析仪器也都利用了物理学原理。以下将从治疗和诊断两个方面介绍物理学在医学中的应用。一、 物理医学治疗技术医学治疗分为物理治疗、化学治疗、心理治疗和生物学基因治疗，心理治疗和生物学基因治疗目前还处于辅助地位。化学治疗即药物治疗。物理治疗则依赖于医疗器械，它是利用某些物理装置、器具以及生物体对光、电磁场、声波、放射性粒子等外界物理因素的响应，来消除病灶、实现康复的一类医疗方法。1.红外 紫外 微波治疗某些波段的红外线照射能使病灶产生光化效应和热效应，从而增强细胞组织的活力，凝固蛋白质，抑制细菌、病毒的繁衍，促进组织恢复正常功能,达到治疗目的。中长波紫外线的适度照射可使皮肤中的脱氧胆固醇转变为维生素D，而维生素D能增强人体对钙磷的吸收，促进骨骼的生长发育，所以儿童经常晒太阳能预防佝偻病。UV-A（波长约320~400nm）、UV-B（波长约280~320nm）波段能够治疗风湿性关节炎和白癜风、玫瑰糠疹等皮肤病, UV-A能抑制银屑病表皮细胞的增殖。微波是介于红外线与超短波之间的高频电磁波。人体由各种有机与无机化合物组成，体内K-、Na- 、Ca- 、Mg2 + 、Cl-、P、Fe2 + 等多种无机离子在微波电磁场中会产生振动并与周围媒质相摩擦, 人体内蛋白质、脂肪等分子电偶极子在微波电磁场中也发生振动或急剧旋转摩擦，产生热效应。除热效应外, 还存在非热效应，如在电场作用下细胞膜两侧的带电粒子浓度及膜的通透性会改变。微波具有强的穿透性，能在组织深部促进细胞的新陈代谢，增强血液循环，降低感觉神经的兴奋，从而达到消炎止痛、消肿的作用。微波在妇科（尤其是子宫肌瘤）、外科、皮肤科、肛肠科、耳鼻喉科、风湿关节病治疗等方面有许多应用。2.电疗和磁疗低频脉冲电流主要有增强和放松肌肉、促进局部血液循环、镇痛消炎消肿、活化神经、调节消化等作用，对于扭挫伤、腰背痛、颈椎病、肩周炎、关节肿痛、坐骨神经痛、腹部减肥等有疗效。磁疗是利用磁场作用于人体治疗疾病的方法。在2000多年前，我国西汉时代就已利用磁石（Fe3O4）治病。磁疗具有止痛、消炎消肿、镇静解痉、降压降脂等作用，其适应症为扭挫伤、积压伤、外伤性血肿、肩周炎、关节炎、乳腺小叶增生、麦粒肿、咽炎、牙龈肿痛、神经性头痛等。磁疗方法很多，常用的有以下三种：磁片贴敷法、旋转磁疗法和磁疗机。3.激光治疗激光具有方向性强、亮度高、单色性和相干性好的特点，在60年代初激光器发明后的次年就被应用到医学上。目前，激光技术在医学上的应用发展迅速。研究表明，激光与生物体作用会产生多种效应：（1）热效应当激光照射到生物体组织上，会被生物组织吸收转变为热能，由于能量密度高，故可在几毫秒内使被照部位局部升温200~1000°C，使病变组织凝固、分解,甚至熔融和气化。（2）压力效应 光照射到物体上时，会对物体产生机械压力，称为光压。激光能量密度高，能产生很大的辐射压力，使已产生热效应的生物组织迅速被破坏。（3）光化效应 细胞内存在多种色素，因此生物体对激光的不同波长具有选择吸收的特性。用适当波长的激光照射，可使生物组织有较强的吸收，促使某些光化反应的发生，起到杀死病毒和细菌或者产生刺激细胞的作用。（4）电磁效应 高功率激光可产生较强的电磁场，使生物体分子、原子发生电离，从而破坏细胞生长。实际上，上述生物效应往往同时存在。一般认为激光正是通过这些生物效应达到治疗效果的。目前激光已在皮肤科、五官科、口腔科、妇科、肿瘤科、外科、骨科、心脏内科、脑科以及美容等方面开展了临床应用，形成了全新的医学分支——激光医学。下面简要介绍一些激光治疗技术。利用激光的热效应和压力效应，可以通过气化、烧灼而清除病变组织，起到传统手术刀的作用，称之为激光刀。激光刀有很多优点：简便易行、手术时间快、出血少，有止血作用（血液快速凝固），能封闭小血管和淋巴管（有利于防止肿瘤细胞扩散）；手术切缘锐利、平整，可作各种形态的切口，无声响、无震动；非接触性,不会引起细菌感染，对一些操作困难的部位实施手术尤为方便；能量集中、精度高、伤口小、痛感小，对周围正常组织不会造成损伤。激光可以直接烧灼病变部位而达到治疗目的，如治疗鼻炎、慢性咽喉炎、舌根部淋巴组织肥大、咽异感症等。 用低功率激光照射穴位称为激光针灸，对疼痛、风寒、气滞血瘀、血虚等有很好的疗效。通过光纤将激光引入血管，照射血液，使血液中的蛋白质分子构象发生改变，从而降低血液粘度、抑制血栓形成。可以采用光纤导入激光束到动脉管内，将堵塞部位“打孔”、消融血栓。采用激光瞬时照射的热效应,使人体的创伤口或血管刚好达到熔融状态而未气化, 起到“焊接”作用，可以代替传统外科缝合手术,且不易发炎,术后恢复快。利用激光还可以“焊接”损伤的骨骼。心脏病患者由于动脉血管内有胆固醇或有钙质晶体的沉积而使血液受阻,以致心肌局部缺血、梗塞以至坏死。还可以用激光直接在左心室壁上打孔，“再造”血管通道,让左心室的富氧血液直接流经再造血管, 把心室中的血液引向心肌缺血区域，改善供血状况。先给病人注射一种光敏药物，再用激光通过光纤进入肿瘤部位，药物吸收激光引起接触组织内的细胞生物分子链发生断裂,从而切断肿瘤供血并将其分裂成碎片气化。此外，用激光还可以治疗眼疾（如白内障、视网膜脱离、青光眼、视力矫正等）、牙病。适当剂量的激光能加速肌肤的血液循环、去除皱纹、修复损伤皮肤、治疗牛皮癣和白癜风，还能消除色斑、血斑、胎记、黑痣、疤痕等。近年来美国科研人员开发了一种无痛微型激光麻醉器,它以激光脉冲在病人皮肤的上层表皮上烧一个直径2 毫米深20 微米的小洞,不伤及神经组织,不会有任何痛感,使液体麻醉药直接进入体内。这一新的麻醉方法深受医护人员和病人的欢迎。4.超声治疗超声波是一种弹性机械波，与电磁波不同。超声波可以进入任何弹性材料（不论气体、液体或固体）包括人体，而且不受材料的电导率、导热率和透光性等性能的影响。超声波频率高、波长短，具有很好的定向传播特性。超声波发生器中的一个关键元件是超声换能器，它由具有压电效应的材料制成。所谓压电效应是指某些晶体或陶瓷受外力作用变形时，在两个端面产生异号束缚电荷的现象（电效应）。反之，将压电材料置于交变电场中，则会发生伸-缩振动，称为逆压电效应。用压电材料制成的元件（超声换能器）可以实现声能（机械能）和电能的相互转换，起到产生和接收超声波的作用。超声波广泛地用于医学诊断和治疗。超声治疗的机理还不是很清楚，一般认为超声与人体组织作用将产生多种效应：（1）机械振动效应 超声的高频振动，能破坏组织间的结合力，产生碎裂。（2）空化效应 生物组织或液体经超声波辐照，内部会出现微小气泡（空化核），空化核在周期性交变的声压作用下作高频脉动、振荡，体积急剧膨胀、收缩，直至破裂，局部产生高温、高压（上千个大气压），从而改变生物组织的结合状态，或引起生物化学反应。（3）热效应 由于生物组织对超声波的吸收，超声能量转化为热能，使组织温度升高，若采用声聚焦，局部温度可升高100多度。超声波能引起生物组织的某些物理或化学性质的改变，谓之触变效应，如使血液粘滞性降低、血浆变稀、血球沉淀等。超声波还能提高膜的渗透作用，使药物分子更易于吸收利用，称之为弥散效应。除此之外，超声波的生物效应还有多种，而且在超声治疗或手术中，往往同时存在多种生物效应。因其无创特性，超声治疗技术已广泛应用于眼科、理疗、消化、普外等各个临床领域中。例如，利用超声波的热效应、机械效应等,用聚焦或非聚焦声束对疾病部位进行“加热”和机械刺激来治疗某些疾病（称超声理疗）。超声理疗对于治疗某些皮肤病、坐骨神经痛、关节炎、骨伤、脑血栓及促进伤口愈合等都有较好的效果.用聚焦超声可对体表及体内深部的癌肿加温至42～43 ℃，可抑制某些癌细胞的生长,甚至杀死癌细胞。将药物加入超声耦合剂中,通过超声作用,使药物经皮肤或粘膜组织透入人体内，可以用于治疗硬皮病、慢性结节性红斑及许多皮肤病等。利用超声空化作用,将药物变成微细的雾状颗粒,通过呼吸道进入,直接作用于病灶，适应于各种急慢性呼吸道疾病、鼻炎、哮喘、肺结核以及慢性阻塞性肺部疾病等.用聚焦后的超声波束产生的机械破坏作用及空化作用，可以进行无创性的肿瘤治疗（粉碎肿瘤、杀伤癌细胞），使体内结石（胆结石、肾结石）等碎裂而自行排出体外，还能击碎血栓以减少血液流动的障碍。眼睛中的白内障可以通过超声波进行破碎。此外还有超声洁牙、利超声美容等。5.放射性治疗放射性药物用于治疗主要是利用射线对机体组织的各种生物效应，抑制和破坏肿瘤细胞的生长、扩散以达到治疗的目的，这就是放射疗法，简称“放疗”。放疗最早使用的放射线是X射线，后来又使用放射性同位素产生的β、γ射线，以及各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束和重离子束等。放疗方法如今已有很多，大致分为外照射和内照射。外照射是将放射源与病人身体保持一定距离进行照射，放射线穿过皮肤和正常组织到达肿瘤。内照射是将放射源密封置于人体的腔内（如舌、鼻、咽、食管、气管和宫体等部位）、组织内、肿瘤内或肿瘤表面进行照射，即采用腔内、组织间插植及模型敷贴等方式进行治疗。6.粒子手术刀人体某些部位的疾病，如脑部肿瘤的治疗，对常规外科手术来说难度很大。为此，人们研制了各种粒子手术刀。前面介绍的激光刀是其中之一，这里要介绍的是γ刀、X射线刀、电子束刀、质子刀。（1）γ刀激光束、X射线和γ射线都是光子束，只是波长不同或光子能量不同而已。所谓γ刀就是用γ射线作为“手术刀”来“切除”肿瘤特别是人体脑部肿瘤。1951年，瑞典神经外科医生莱克塞尔（L.Leksell）提出立体定向放射外科手术思想：用许多束经过准直的γ射线，从不同方向射向脑瘤，这样在交点处的剂量很强，而其它正常组织所受的影响就很小了，如图11-7-1。γ刀是一种融现代物理学、放射生物、医学影像、计算机、智能自动化控制等多学科门类于一体，以治疗人体颅脑疾病为主的大型高科技放射外科治疗设备。其基本原理是采用核磁共振显像方法将颅内病灶精确定位，将201束γ射线经多角度精确聚集照射病灶，一次性大剂量摧毁病灶组织。γ刀手术的优点是：（a）无手术创伤，不存在出血、感染等情况，术后并发症轻微或几乎没有；（b）定位精确，安全可靠，对病灶周围的脑组织损伤很小；γ刀可通过其它刀无法通过的禁区，将特殊部位的脑瘤切除；（c）整个手术（γ射线照射）只要20分钟，手术后病人即可下床活动，住院时间很短，甚至在门诊即可完成手术。（2） 电子束刀和X射线刀电子直线加速器是利用电场将电子枪发射的电子加速到很高能量，并使其沿直线运动的加速装置。这样的高能电子束可直接用于医疗，也可利用它打到靶上所产生的X射线来治疗癌症等疾病，这种用途的电子直线加速器称为医用电子直线加速器。医用电子直线加速器是一种大型精密的、自动控制的、目前最常用的放射治疗设备，能根据需要提供不同能量（4~25MeV）的高能电子束和高能X射线供治疗用。高能电子束适合浅层和中层肿瘤的治疗。电子束刀的主要特点是：（1）电子束能量可以调节。（2）一定能量的电子束进入人体后有一定的射程，即进入的最大深度。在射程外，电子束能量迅速衰减。因此，根据肿瘤位置，选用适当能量的电子束，可以保护深于肿瘤的健康组织。X射线刀是将医用电子直线加速器加以改造、利用它提供的高能X射线进行立体定向放射外科治疗装置。高能X射线有较强的穿透能力，且表层和骨组织吸收少，因此适合深层肿瘤的治疗。（3）质子刀放疗中最理想的剂量分布是，放射线的所有能量集中于肿瘤区，以杀死癌细胞，而散布到周围组织的能量应尽可能地少，以免伤害正常细胞，但要做到这一点却不容易。科学家发现，在各种放射线中，质子束的剂量分布特性十分理想。在人体中，质子束能量衰减的特点是：先慢后快，在射程末端处能量骤然衰减。利用这一特性，在治疗肿瘤时，可以通过调节质子束的能量使其停止在肿瘤的指定位置，达到对肿瘤组织的最大杀伤，而肿瘤前面的正常组织损伤很小，肿瘤后面的正常组织则不受影响。就对正常组织的损伤而言，质子刀明显优于γ刀、电子束刀和X射线刀。二、物理医学诊断技术物理诊断是利用物理学原理和技术设计的装置，采集人体各个层次上的信息，为获得临床诊断结论提供定性或定量分析数据与图像的方法，其重点是无创伤的影象诊断。在医学上，利用物理学原理和技术制造的医学诊断仪器装备品种很多。下面将对几种先进的物理诊断技术特别是医学影象技术作一简介。1.利用生物电磁效应的诊断技术（1）心电图心脏本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。将测量电极放置在人体表面的一定部位，体表心电经电极、导联线送至心电图机，记录两个测量点间的电位差，并将其值描记在以时间为X轴、以电位差值为Y轴的坐标系中，得到的心脏电变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图(ECG)。正常心电图上的每个心动周期中出现的波形曲线改变是有规律的。当心脏因缺血受损或坏死时，心电活动的变化（表现出各个波形的异常）能正确及时地反映在心电图上，从而为医生诊断心律失常、心室肥厚、急性缺血、心肌梗塞等心脏疾病提供可靠依据。心电图机主体可分为输入回路、导联选择、放大电路、描笔驱动和走纸部分，现代心电图机通常还有程控部分。（2）脑电图脑电图（EEG）是通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录的一种曲线图。脑电图对脑部疾病有一定的诊断价值，但受到多种条件的限制，需要结合患者的症状、体征、其他实验检查来综合分析。脑电图对诊断癫痫、判断脑部器质性病变，特别对判断是精神病还是脑炎等其他疾病造成的精神症状很有价值，对诊断脑肿瘤或损伤有一定帮助。普通检查难以确定的轻微脑外伤，脑电图可能发现异常；（3）心磁图 心磁图（MCG）是心脏无创伤性检查领域的新技术。心磁图法的原理是通过极为敏感的超导量子介入探头对在心动周期中心电活动引起的微小磁场进行测定，从而判定心脏有无病变以及病变的位置和程度等。这是一种低温超导与计算机技术结合的高科技方法。与现行的检查方法相比，它既避免了有创伤检查（如冠脉造影）操作难度大且有一定危险性的弊端，又使无创伤检查的灵敏度（如运动心电图）有所提高。怀疑有冠脉病变（胸痛、胸闷等）但心电图（ECG）并无异常改变的患者，可以通过MCG对心肌缺血程度做进一步检查和诊断。（4）脑磁图脑磁图（MEG）是直接探测大脑神经功能活动的最新技术，是一种完全无侵袭、无损伤的脑功能检测技术。MEG的检测过程是对脑内神经电流发出的极其微弱的生物磁场信号进行直接测量。MEG具有高灵敏度(能测量极微弱的脑磁信号)、高时间分辨率(能实时测量功能神经活动)、高空间分辨率(能作功能区或病灶定位)等特点。脑磁图系统的技术核心是低温超导技术，其中有两个反向串联线圈组成的超导传感器，当有磁力线穿过时就会在线圈内产生稳恒感应电流。在超导状态下，线圈的电阻完全消失。这样的组合系统能检测远小于一个磁通量子的磁场变化，故足以测量出大脑皮质中枢神经活动所产生的磁场。它记录的原始数据是头皮各处的磁场转换成的电压-时间曲线，另一种记录方法是显示某一时刻头皮各处的磁场强度曲线。MEG可用于诊断脑瘤、脑血管病、轻度脑外伤、偏头痛、癫痫、酒精中毒、突发性耳聋、耳鸣、痴呆、Parkinson症、抑郁症等。MEG可以完全无创性检查胎儿神经系统的各种功能，对研究先天性脑瘫、智力发育障碍以及癫痫疾病病因和防治方法十分重要。MEG可用于精神病的早期发现，研究精神分裂症。2.激光诊断激光不仅用于治疗，也广泛地用于诊断。利用激光的特性，人们开发出了各种各样的激光诊断仪器。根据激光在光纤表面全反射的原理制成的各种激光光纤内窥镜（胃镜、肠镜、支气管镜等）为相应部位的疾病诊断提供了可靠依据。通过内窥镜可直接观察到人体各器官的病灶，并施以相应治疗。该镜一般前方有光源、光学镜头以及取样和治疗装置，后方有接收器、处理器及成像系统，光纤起连接和信息传输功能。内窥镜可分为无创伤性和创伤性两种，前者直接插入与外界相通的腔道（如消化道、呼吸道）；后者通过切口送入密闭的体腔（如胸腔、腹腔、关节腔等）。在显微成像技术配合下可观察到细小病变图像, 并可采用CCD电视摄像获得记录完整的彩色照片或电视图像,同时能在直观的情况下在腔道内采集标本、清除异物、止血、注射药物、通过灼烧或气化切除病变组织。利用激光的高强度特点，能从物质或细胞中激发出较强的光谱，从而检测细胞内的分子结构或组分。根据这一原理研制出了一系列用于医学基础研究和临床诊断的新型分析仪器，如肿瘤诊断分析仪、激光流动式细胞计、激光拉曼光谱仪、激光荧光光谱仪。利用激光的高相干性和偏振性，已开发出激光全息眼底摄影仪、激光脑颅分析仪、激光干涉视力测定仪、激光衍射细胞分析仪、激光散斑分析仪、激光偏振仪等。这些仪器分别用来测试血液、尿液和人体其他组织成分、微量元素的含量以及识别细胞是否病变或癌变等。激光光学层析（断层）造影（OT）技术正在兴起，势将成为替代X－CT的新兴的医疗诊断技术。3.红外热象诊断一切物体都在不停地向外辐射红外线，辐射能量的大小与波长的分布根体表温度有关，人体亦不例外。因此，通过对人体红外辐射能量的测量，便能准确测定体表温度。人体各部位的温度是不尽相同的，利用红外热像仪，还能得到体表温度及温度场的分布图——热像图。在患病期间，全身或局部的热平衡遭到破坏，皮肤、粘膜表面温度的细微变化会在热像图上显示出来，据此可以确定病灶的部位和病变程度。这种方法已应用到内、外、妇、儿、五官及皮肤等各科。4.超声诊断自1942年首次用超声技术扫描脑部结构以来，人们开发了各种超声诊断和治疗仪器，超声在医学领域的应用不断扩展， 理论研究日渐深入，并形成了超声医学。超声诊断已由一维发展到三维，由静态发展到实时，出现了A型、B型、M型及D型等多种扫描模式，回波信息大大增加，体内的病灶愈加清晰易辨。超声诊断的物理基础是超声波的界面反射。人体组织是复杂的超声传播介质，其声学性质各异，于是组织边缘就成了反射界面。超声探头发射脉冲式的超声波通过两相邻组织的界面时，一部分被反射，另一部分透过界面继续前进，到下一个界面再反射。反射波进入换能器，转换成交变电压加到示波器上，屏幕上便出现一个反射脉冲。最早使用的A型显示（A超），就是显示这种脉冲回波。通过分析回波幅度的分布可以获得组织的特征信息。移动超声探头，做超声束扫描，便能了解整个界面的情况。后来对A型显示作了改进，用多个条式压电陶瓷片列成一横排而成为阵列，构成多阵元探头，再配上适当的电子线路，将脉冲回波显示为光点，光点的明暗代表回声信号的强弱，以此反映界面情况，这就是B超即B型显示。当脏器发生病变时，必然会产生新的界面，通过B超就可在荧光屏上显示出来。X光摄影得到的是体内纵向投射的阴影像，可检查骨骼或一些固体异物情况，而对一般脏器（软组织）中的病变却分辨不清，必须依靠B超或X-CT显像技术。B超得出的是纵切面的结构像，在切面方向没有重叠，可以准确判断切面的情况。与X-CT相比，B超还有简单、便宜、无损伤等优势。B超和X光已成为两种相互补充的常规检查手段。血流速度的测定对脑循环、心血管疾病的诊断非常重要。20世纪50年代，人们开始将多普勒效应应用于医学，80年代利用超声多普勒效应成功测量了血流速度。从此无需切开皮肤，在血管中插入导管来测量血流，在体外便能实现无损测量。图11-7-4是多普勒超声血流计的原理示意图。频率为的超声波由探头（换能器）I发出，被血流中的红细胞反射后，探头（换能器）II接收到的频率为。设血流速度为v，超声束与血流方向的夹角为θ，超声波在人体组织中传播的平均速度为u，可以证明测到的多普勒频移为测出，便可算出血流速度v。在实际应用时，因为，所以在人体内，不只血流有多普勒效应，任何运动着的器官都有。因此，超声多普勒效应还可以用于研究心脏的运动、测量胎儿的心音等方面。图11-7-4 多普勒超声血流计原理图5.X射线诊断1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现了X射线，并公布了他妻子的手指骨的X光像片，仅3个月后X射线就应用于临床医学研究。X射线透视是一种简便而常用的检查方法。X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。透视时需将患者的被检查部位置于X射线管球与荧光屏之间,直接在屏上进行观察。优点是方便、可以立刻得到结果，还可任意转动病人，从不同角度观察人体器官的形态、大小及运动功能。其缺点是没永久性记录供隔期对比观察，且对微小病灶的分辨力较差。另外，患者所接受的辐射剂量比较多。人体不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度也就不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像，这就是X射线摄片的基本原理。摄片的优点是器官结构显示清晰，分辨力高于透视，胶片可长期保存，供以后参考。X光片也只能提供一个各层结构的重叠影象，当病变与各层组织密度差别不大时，就不易辨别，而且不能给出定量分析结果。为了克服X射线摄片的不足，1972年CT技术问世。CT是Computed Tomography（计算机断层扫描）两个首写字母，它为医学成像技术开辟了新的领域。XCT指X射线计算机断层扫描。普通X射线照片上的影像是身体各层组织前后重叠的复合影像，被掩遮、重叠的病灶有时显示不清。断层摄影装置可使某一预选的身体层面的组织结构显示清晰，而使前后与之重叠的组织阴影模糊，可以将病变区以立体的、高分辨率的形式显示出来，并作出定量分析。XCT是利用X射线对人体某个部位进行逐层的横断扫描，取得信息，经计算机处理后获得二维和三维图像。XCT设备是以测定人体组织对X射线的吸收系数为基础的，目的是将待测部位各断层上的各立方体小单元（体素）的吸收系数全部求出，并用图像表示出来。CT机扫描部分主要由X射线管和不同数目的探测器组成，分别安装在被扫描组织的两侧，用来收集信息。当X线束沿某方向穿过选定层面时，该方向上的各体素均对X线有吸收，被吸收的总量等于该方向上所有体素吸收量的总和，探测器可以探测到这种吸收。再将X射线管（连同探测器）沿垂直X线束的方向逐步平移，对所选择的层面进行扫描。一次扫描可得一组方程。然后，将X射线管与探测器一起，绕患者旋转一定角度，重复上面的操作，又可得到一组方程。如此反复，直到在180度范围内完成全部数据采集。求解所得到若干组方程，便可得知各体素的吸收系数。由于方程个数成千上万，必须借助于计算机。实际做法是，探测器将收集的X射线信号转变为电信号，再经模／数转换器转换成数字，输入计算机储存和处理，从而得到该层面各体素的吸收系数，并排列成数字矩阵。数字矩阵经数／模转换器转换，在显示器上以不同颜色或不同灰度表示各体素的吸收系数大小，即为该层的横断图像。图像可用多幅照相机摄于胶片上。这就是CT技术的基本原理。利用现代CT技术可检查全身几乎所有器官，清晰地显示它们的各种断面，轻微的病变也能反映出来，比X摄线摄影的分辨率高了一个数量级。6.放射性诊断（1）放射性核素示踪诊断放射性核素的示踪诊断方法是，病人口服或静脉注射含有某种特定的放射性核素标记的药物，当这种药物进入人体某种脏器后，其所发射的γ射线能穿出体外，通过显像仪器可以观察放射性核素在人体脏器中的分布情况，从而诊断出病变。还可以测量脏器中或血管中药物浓度随时间的变化，以检查病人的脏器功能。（2）ECT和PECTCT技术诞生后不久便与核技术结合，产生了所谓的发射型CT（ECT）。ECT是在XCT基础上发展起来的，两者的影像重建原理基本相同，但在显像基础和用途上各有特点。前面介绍的XCT是透射型CT，在成像过程中测定的是X射线通过人体后的衰减情况，根据不同衰减来分析病变。ECT是通过口服或注射放射性药物在体内引入放射源，在成像过程中测定的是引入的放射源从体内发射出来的射线强度，最后获得的是体内某断层面的放射性核素的密度分布图像，根据密度分布来分析病变。ECT利用γ探测器在体外从不同角度采集体内放射性核素分布的数据，再通过计算机把放射性核素的密度分布（即病变）在三维方向显示出来。这与前面介绍的放射性核素示踪诊断相同，不同的是，这里配以计算机处理，可得到断层面上的放射性核素的密度分布。目前使用的ECT有两类：一是单光子发射型CT（SPECT），测量的是放射性核素（如等）发射的单γ光子；二是正电子发射型CT（PECT，又简称为PET即正电子断层照相），是专门用于衰变核素显像的。引入体内的衰变核素（如，，及等）会释放正电子，这些正电子在体内引起正负电子湮灭而发射一对γ光子， PECT就是通过检测这些γ光子实现断层成像的。PET 分辨率高, 是目前惟一的活体分子生物学显示技术,还可以从基因水平对疾病作出早期诊断。PET 不但可以获得人体局部的断层图像,而且还可以获得全身各个方向的断层图像和立体图像, 特别对于肿瘤的转移观察和复发的监测有重要意义。PET代表目前核医学的最高水平。7.磁共振成像（MRI）MRI（磁共振成像）是magnetic resonance imaging 的三个首写字母。磁共振成像的基本原理是核磁共振。我们知道，原子核由核子（质子和中子）组成，核子也像原子中的电子一样，有自旋运动。由质子和中子构成的原子核也有自旋且自旋角动量大小和方向是量子化的（不连续）。原子核有自旋磁矩，该磁矩的大小和方向也是量子化的。在外加磁场中，核磁矩与外磁场相互作用会产生附加能量。该附加能量与磁场大小成正比，而且与磁矩方向和磁场方向的夹角有关。由于磁矩有多个不连续的方向，则对应多个附加能量。这样在原有的某个核能级上再加上这几个附加能量，就使得该核能级分裂成多个对应的能级。如果再在与磁场垂直的方向上加上一定频率的电磁波（一般是射频范围），电磁波的能量等于这些相邻能级的能量差时，处于低能级的核将吸收电磁波能量而跃迁到相邻的高能级上。这种在外磁场中，原子核吸收特定频率电磁波的现象叫核磁共振（从经典物理观点看，是外来电磁波的频率与核的固有频率相等发生共振）。例如氢核即质子，它与磁场相互作用有两个正负等值的附加能量。当氢核磁矩方向与外磁场方向一致时，附加能量为负，使其能量降低，氢核处于基态；反之处于激发态。在1T的磁场中，电磁波的频率为42.56MHz（短波无线电波长范围）时，氢核可以产生共振吸收从基态跃迁到激发态。当去掉射频电磁场时，激发态氢核将退激回到基态，发出电磁辐射。这种电磁辐射能够在环绕待测物的线圈上感应出电压信号。该信号就是核磁共振信号简称NMR信号由于磁场，包括交变电磁场可以进入人体，而人体的大部分（75%）是水（一个水分子有两个氢核），还有碳氢化合物。这些水以及富含氢的分子的分布可因种种疾病而变化，所以可以利用氢核的核磁共振来进行医疗诊断。射频电磁波对人体无害，磁共振仪中的磁场一般小于1T，对人体也没有伤害。1973年，MRI被用于医学临床检验，这是继CT之后医学影像学的又一重大进步。图11-7-5是MRI的基本原理：将人体置于静磁场中，用射频电磁波激励受检部位的某种原子核，使其产生共振吸收。去掉射频场后，该原子核向外辐射特定频率的电磁波，进而在线圈中感应出NMR信号（电压信号），再经过转换和计算机处理，便可获体内病变信息。只要在三个方向都加上有梯度的稳定磁场，以及用一个宽频的射频电磁波，由核磁共振成像就可以获得任意断层面的三维立体图像，故又称为磁共振CT。原则上，人体组织中的各种原子核都能用于磁共振成像。但氢核含量最大，所获得的NMR信号强度比其他核种强得多，因而成为MRI的首选核种。人体不同组织以及同一组织在病变前后，其含水量是不一样的即氢核密度不同，因此NMR信号强度有差别，这种差异可作为区分各种组织和判断组织是否病变的依据。图11-7-5 磁共振仪原理框图激发态氢核除通过辐射跃迁退激之外，还可把能量传递给周围的核或晶格，以非辐射跃迁的方式返回低能态，这一过程称为核磁弛豫。核磁弛豫有两种：一是自旋-晶格弛豫即激发能变成晶格热运动的能量，达到平衡的特征时间即为弛豫时间，用T1表示；二是自旋-自旋弛豫即把激发能转移给另一个同类核，弛豫时间用T2表示。人体各种组织的T1和T2值是不同的。可见，正常组织与病变组织的NMR信号强度既与氢核数密度ρ有关，还与T1和T2有关。实际检测时可得到三种图像：第一种是密度图像，NMR信号只取决于ρ；第二种是T1加权图像，NMR信号由ρ和T1共同决定；第三种是T2加权图像，NMR信号由ρ和T2共同决定。到底用哪种图像，就看哪一种能更好地区分正常组织和病变组织。例如，正常肝组织的密度图像及T2加权图像跟肝癌的相差无几，但它们的T1加权图像差别明显，因而使用T1加权图像。MRI几乎能用于全身各系统的不同疾病，如肿瘤、炎症、创伤及各种先天性疾病的检查，能清楚、全面地显示心室、心肌、心包及心内其它细小结构，是诊断各种心脏疾病和检查心功能的可靠方法。它可给出隐藏在头骨、脊椎骨、软骨下的脑部、脊髓等软组织的高清晰图像。与X—CT 和B 超相比，MRI获得的人体内部信息更多，尤其是对于脑部病变和早期肿瘤病变的诊断，更具有优越性。MRI被认为是21世纪最有前途、最先进的影像技术。8.三维中子成像2004年在美国召开的医学物理学家年会上，美国Duke大学的C.Floyd教授领导的研究组首次展示了他们利用中子形成三维图像的新技术。他们之所以使用中子，是因为与相同能量的其他粒子相比，一方面，中子的穿透深度较大，可以探测到其他粒子达不到的禁区内的组织结构；另一方面，中子对人体内的化学元素具有极好的分辨能力。C.Floyd教授的研究组将这种新技术称为“中子受激辐射断层摄影术（neutron stimulated emission computed tomography，简称为NSECT）。NSECT是用1~10MeV能量的快中子照入人体，引起体内的原子核辐射出γ射线，根据这些光子的特征能量就可反映出体内不同深度处原子核的化学特性。初步计算表明，对胸部肿瘤作一次精确诊断所需的辐射剂量相当于一次早期胸部肿瘤X射线检查的剂量。由于微量示踪元素的浓度在良性与恶性肿瘤组织内部具有明显的差别，根据组织体内化学元素浓度的变化，中子能在肿瘤开始形成以前分辨出它的生理特征，而不必等到肿瘤形成以后再使用切片或其他常规诊断方法来确诊。物理学极大地促进了医学的发展。我们相信物理学在医学中将会获得更多的应用，并为医学的发展做出更大贡献。
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学④生物电磁效应生物电是指生物体内产生的电位变化和电流传导以及与之相关的生命运动。生物磁是指生物体的磁性以及与生命活动相关的磁现象。生物电和生物磁是生命活动的基本特征，普遍存在于所有生物的细胞、组织和器官中，并伴随生命的全过程。生物电、磁现象既遵循电磁学规律，又有自己的特性：主动性和被动性。当生物生活于外环境中时，生物体作为磁介质和导体（或介电体）会按照一定的规律产生响应，且能跟外界电磁场发生相互作用，从而产生生物效应。生物电、磁现象及其生物效应携带了大量与生命活动、生理和病理紧密相关的信息，这些信息对生物学研究以及对疾病的诊断和治疗都有极大的价值。一、生物电的发现1780年，意大利医生、生物学家伽伐尼偶然发现，挂在铁栅栏铜钩上的蛙腿在风的吹动下左右摇晃时，一旦碰到铁栅栏，蛙腿就猛烈收缩一次。他没有放过这次偶然发现，安排一系列实验，对此进行了细致研究。在排除了当时已知电源（大气雷电、摩擦起电）的影响后，认为这是动物体内产生的电，并于1791年发表了著名论文《论肌肉运动中的电力》，指出生物电是客观存在的并对生物电进行了初步解释。实际上，伽伐尼这一时期的研究并不能证明生物电的存在，但他提出的生物电概念引起了许多学者的兴趣，在欧洲大陆立即掀起了生物电研究热潮。物理学家伏打对此也产生了浓厚的兴趣，他重复了伽伐尼的实验，结果发现一定要使用两种不同的金属，才能使蛙腿肌肉产生收缩。于是伏打认为，伽伐尼所观察到的蛙腿肌肉收缩不是生物电所致，而是两种金属属性不同所致。伽伐尼为证明自己的观点于1794年设计了“无金属收缩实验”：用一个从腰部剪断的青蛙做实验材料，撕掉蛙腿的全部皮肤，把从腰部脊髓发出的神经分离出来，然后将蛙腿肌肉切损。这时，若把分离好的同侧神经与肌肉受损处相接触，立刻就会看到该侧蛙腿肌肉猛烈收缩。因为没有使用任何金属，该实验出色地证明了生物电的存在。伏打在这项研究中发明了能产生稳恒电流的电源——伏打电池，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应，极大地促进了电学的发展。电流计发明之后，人们才有可能直接证明生物组织本身是否带电。1837年，意大利物理学教授Matteucci用电流计对生物组织进行了较精确的测量。测量结果表明，在肌肉的横断面与未受损部分之间，确实有电流的流动，这种电流是从未受损部位通过电流计流向横断面的。电流计的发明大大加速了生物电研究的进程，人们很快在肌肉、神经、甚至感官上都证明了生物电的存在，并且表明，在兴奋时这种电位会波动。实验证实，不仅动物，所有生物都有生物电活动，生物电是自然界普遍存在的一种电现象.二、生物电的产生机理人们对生物电的研究已有200多年的历史，发现了多种生物电，仅人体内就有脑电、心电、肌电、眼电、胃肠电等十几种。生物电可分为三类：损伤电位、静息电位、动作电位。损伤电位是指生物组织的完整部分和受损部位之间存在的电位差。伽伐尼的 “无金属收缩实验”正是利用损伤电位，产生了蛙腿的收缩。不受外界刺激时，即静息状态下细胞膜内外两侧的电位差，称为静息电位。细胞膜受刺激时，在原来静息电位的基础上，膜两侧发生一次短促而可逆的电位变化，这就是动作电位。研究表明有机体的一切生命活动都伴随着生物电现象，但生物电的产生机制至今尚未完全明了。长期以来，对生物电的产生机理，人们提出了多种学说。目前被公认的一种基本观点是：生物电来源于细胞的功能，是以细胞为单位产生的。被大多数人所接受的是“离子学说”，认为生物电产生的前提是细胞膜内外的离子分布和浓度不同，以及细胞膜对各种离子的通透性有差异。细胞膜把细胞与外界环境分开，同时膜上又存在一些孔道，允许细胞与周围环境交换某些物质。在细胞膜内外存在多种离子，膜内主要是钾离子（K＋）及一些大离子团（A－），膜外主要是钠离子（Na＋）和氯离子（Cl－）。细胞膜对A－没有通透性，对K＋的通透性很大且是对Na＋的通透性的50~100倍，对Cl－有一定的通透性（Cl－是负离子）。静息状态下，Na＋和K＋两种离子顺着浓度差向膜内外扩散时，以K＋外流为主，因而膜外的正电荷逐渐增多，膜外电位上升，膜内电位下降，在膜的两侧便出现一个外正内负的电位差。这种电位差的存在，使K＋的继续外流受到膜外正电场的排斥和膜内负电场的吸引而变慢，最终K＋停止外流。此时，细胞膜内外两侧的跨膜电位差即为静息电位。若取膜外电位为0，则膜内电位大都在－10～－100mV之间。例如，枪乌贼的巨大神经轴突和蛙骨骼肌细胞的静息电位为－50～－70mV；哺乳动物的肌肉和神经细胞静息电位为－70～－90mV，平滑肌为-50～-60mV；人的红细胞为－10mV等等。大多数细胞产生的静息电位是一种稳定的直流电位，只要细胞未受到外来刺激而且保持正常的新陈代谢，静息电位就稳定在某一相对恒定的水平，细胞膜处于极化状态。当细胞受到外界刺激时，能做出一些主动反应，这种现象称为细胞的兴奋。几乎所有活组织或细胞都具有不同某种程度的对外界刺激发生反应的能力。在各种动物组织中，神经、肌细胞和某些腺细胞一般表现出较高的兴奋性，它们只需接受较小程度的刺激，就能表现出某种形式的反应，称之为可兴奋细胞或可兴奋组织。不同组织或细胞受刺激而发生反应时，形式有可能不同，如各种肌细胞表现机械收缩，腺细胞表现分泌活动等。大量事实表明，各种可兴奋细胞处于兴奋状态时，受刺激处都会产生动作电位。受刺激产生的外部反应如机械收缩和分泌活动等，实际上都是由细胞膜的动作电位进一步触发引起的。因此，兴奋性被理解为细胞在受刺激时产生动作电位的能力。只有那些在受刺激时能出现动作电位的组织，才能称为可兴奋组织；只有组织产生了动作电位时，才能说产生了兴奋。当外界刺激的时间和强度达到一定阈值时，细胞膜对离子的通透性会发生突然变化，膜对Na＋的通透性骤然增大，于是膜外Na＋顺浓度差和电位差迅速大量内流，膜内电位迅速升高，称之为去极化。膜内的负电位随之消失并高出膜外电位，在膜的两侧形成一个内正外负的电位差。这种电位差的存在，使Na＋的继续内流受到电场阻力。当Na＋内流扩散力与电场阻力平衡时，Na＋的内流停止。此时，Na＋的通透性迅速下降，而K＋的通透性大增。于是，K＋迅速外流，使膜内外电位差又很快（大约在1毫秒）恢复到原来的静息电位，这叫复极化过程。这时细胞膜的主动转运功能被激活，重新将膜内外的Na＋、K＋浓度调整到原来的静息水平，以维持细胞正常的兴奋性。多数可兴奋细胞（以神经和骨骼肌、心肌细胞为主），当动作电位在受刺激部位产生后，还可以沿着细胞膜向周围传导，使整个细胞膜都产生一次类似的电变化。神经系统正是靠传导各种兴奋对生物体各器官的生理过程起到了调节作用，使生命活动正常进行。三、生物电的应用生物总是生存在一定的外界环境中，生物体作为导电体或介电体就会按照一定规律产生响应，且能跟外界电场发生相互作用，影响体内的电过程，这就是电生物效应。生物体内复杂的电过程，使细胞膜内外的电位不断变化，产生局部的电信号，这种电信号载有生物体的大量生命信息，并能在体内迅速传递。记录和分析这些电信号能给生命科学研究以及疾病的诊断和治疗提供可靠的依据。心肌是可兴奋组织，心脏有节奏的跳动（收缩和舒张）正是心肌兴奋的结果。兴奋从窦房节传至心房、心室，心肌细胞不断循环进行极化→去极化→复极化过程，在人体任意部位都会产生电位，这就是心电。因人体是导体，故心电在各部位都能测出，只是强弱不同而已。将测量电极放置在人体表面的一定部位（如肢体、胸部等处）记录到的心脏活动过程中的电信号变化曲线，称为心电图（ECG）。心电图是心脏电活动在体表特定部位的反映，心脏自动节律性、传导性和兴奋性的异常变化会在心电图上相应地表现出来。临床上，只要把就诊者与正常人的心电图进行比较，就能对心脏疾病做出相应诊断。大脑皮质的神经细胞时刻存在自发性的电位变化，在头皮上放置一定数量的电极接收这种微弱的生物电活动，然后将其放大并记录出来，所得的连续曲线称为脑电图（EEG）。脑电图是很有价值的检查大脑功能的方法。一般来说，每个人的脑电图都有其固有的、稳定的特征，且在不同年龄阶段有显著的不同。正常情况下，脑电图有一定的规律性，当脑部有病变时，规律性被破坏，即波形发生变化。对此进行分析，可辅助临床对脑部疾病进行诊断。临床上对电生物效应的应用是多方面的。如，用电疗扩张血管，促进血液循环；促进血栓溶解；改善新陈代谢；调节中枢神经和植物神经功能；加速骨折的愈合和骨胳的生长等。利用微弱的直流电或低频交流电可以对癌症进行热疗，而手术中用的高频电刀、射频消融仪、微波治疗仪等利用的则是高频电的生物效应。人工心脏起博，则利用一定大小的脉冲电流来刺激心脏，使心脏按一定频率收缩和舒张，达到人工起博的目的。生物电技术和方法在医学以外的其它领域也有广泛的应用。农业生产中，用外加电场刺激和调节种子、果蔬和其它作物的生物电活动，可以培育和挑选优质种子，促进作物生长、提高产量，有效延长贮藏保鲜时间。日本研究人员通过接收鳗鱼、金鱼发出的电流可以判断水源污染和气象变化。在电子仿生学中，仿照电鳗身体结构制造的潜艇使人很难分辨出是船还是鱼，模拟人鼻子功能制作的“电子嗅觉器”可用于环境监测。当太阳光照射到绿叶上时，叶绿体吸收光能，并从水分中夺取电子，产生微弱的电流；一些细菌可以分解周围溶液释放电子，有的细菌在把所接受的部分太阳光能转化为化学物质时能产生电荷，技术发达国家已着手研制“绿叶发电站”和“细菌发电站”。四、生物磁现象磁性是所有物质的基本属性，大到宇宙中的天体，小到原子核、电子、质子、中子等微观粒子都呈现出不同强度的磁性，并在其周围空间产生或强或弱的磁场。地球就是一个巨大的磁体，地磁场强度约为3×10-5~5×10-5T（特斯拉），这是所有生物最基本的外部磁场，生物在漫长的进化过程中已经适应了这个磁场。生物在生命活动过程中同样会产生微弱的磁场。生物磁的来源有三种：生物电流产生的磁场、感应磁场、剩余磁场。生物体的器官和组织在活动中会产生电子传递、离子转移、神经电活动等生物电过程。这些生物电过程会产生频率、强度不同，波形各异的生物电流，由此产生相应的微弱的生物磁场，如心磁场、脑磁场、神经磁场、肌磁场等。生物体内的弱磁性物质在地磁场或其他外磁场的作用下，能产生感应磁场，如肝、脾等产生的磁场。磁铁矿(Fe3O4)类的强磁性物质的微粒通过呼吸道进入肺部，通过食道进入胃、肠系统等处。这些物质在地磁场或其他外磁场的作用下被磁化，从而产生剩余磁场，如肺磁场。人们已在细菌、昆虫、软体动物、鱼类、鸟类和人体中发现了磁铁矿颗粒。许多候鸟、鱼类和海龟等动物能够利用地磁场定向导航，完成数千公里的长距离迁徙，有些细菌能够在地磁场中定向游移。生物磁场的强度都非常微弱，如人体的心磁场为10-10T，脑磁场为10-12T，最强的肺磁场也只有10-11~10-6T，远低于地磁场和环境磁场（约5×10-7T，包括电磁设备、电网及空间电磁辐射的磁场）。这给生物磁场的测量提出了很高的要求，既需要灵敏度极高的仪器，又要有性能优良的磁屏蔽室隔离外部的磁干扰。超导量子干涉器件(SQUID)和霍尔效应磁强计的问世解决了这个技术难题，人们于1963年测到了心磁场，后来又测到了脑磁场(1968年)、肺磁场(1973年)等。生物磁的研究虽然起步较晚，但进展很快，在生物医学和农业等领域已有大量应用。五、生物磁的应用在外磁场的作用下，生物体内的电活动和生物磁场将发生不同程度的变化，并作出相应反应，而不同的生物（如微生物、植物、动物和人）及不同生物层次（如生物分子、细胞、组织和活体）对外磁场的反应是各不相同的，这就是人们通常所说的生物磁效应。生物磁场的变化与生物的生命活动、生理和病理状态密切相关，这正是生物磁应用的基础。心磁图（MCG）是结合低温超导与计算机技术，对心动周期中心脏电活动产生的微弱磁场进行测定的结果。心磁图能提供比心电图更多更准确的关于心脏病变的信息。例如心脏供血不足、心绞痛、心肌梗塞时，能产生微弱的电流和磁场。由于皮肤与电极之间存在接触电位，所以用皮肤电极记录的心电图测不出这些病变产生的电流，而心磁图则能测出某个病变引起的磁场变化。特别是对于胎儿，其心电信号被母体阻隔而检测不到，但其心磁信息却可与母体磁信号分开而检测到。脑磁场是脑细胞群体因自发或诱发的活动，产生复杂的生物电流，由此而产生的磁场。所以脑磁图上能体现脑诱发磁响应，这对生理学、组织学和病理学的研究有重要意义。与脑电图相比，脑磁图（MEG）有许多明显的优点。首先脑磁图既不需要参考点也不需要与皮肤接触，不会出现由此引起的误差；头盖骨有很高的阻抗，常使脑电图模糊不清，但对脑磁图没有影响。其次脑磁图能直接反映脑内场源的活动状态，特别能显示出脑深层场源的活动状态，对脑磁图进行反解析，更能准确确定场源的强度和位置。此外，视觉诱发脑磁场、听觉诱发脑磁场、射体诱发脑磁场等有很强的特异性，可以分辨出组织上和功能上不同的细胞群体。肺磁场是外部含有铁磁性物质的粉尘侵入人体肺部在磁化后所产生的剩余磁场。对于在采矿、冶炼、制造业等粉尘环境中工作的人，肺磁图提供了保健、监测的手段。此外，视网膜磁图、肝磁图、脾磁图等均可为某些疾病的诊断提供必要的信息。人工磁场在医疗保健方面也有重要意义，市场上的产品也是五花八门，如磁腰带、磁鞋垫、磁表、磁枕头等等。这类产品对一部分人的某些疾病，如腰肌劳损、扭挫伤、高血压等，可以起镇痛、消炎、降压、降血脂等作用。这种疗法叫静磁疗法。近年来，静磁疗法又发展成为经络磁场疗法，认为磁场作用于穴位上，可以疏通经络、调整气血、促进血液循环，从而对疾病起治疗作用。磁疗的适用范围虽广，但临床实践和理论研究尚有不足，只能作为辅助治疗。在农业、林业、畜牧业和渔业领域，用磁场处理种子、饲料、肥料、灌溉用水和饮用水，可以明显提高相应产品的产量和质量。生物体内的原子核系统和电子系统在恒定磁场和特定频率的电磁场作用下会产生核磁共振。用核磁共振方法可以检查种子潜伏的病虫害，分析农、牧、渔等产品的蛋白质和脂肪等养分的含量。
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学③现代物理分析技术在生命科学研究中的应用半个世纪以来,现代物理分析技术如X 射线衍射技术、各种电子显微术、光谱技术(包括吸收光谱术、发射光谱术、红外和拉曼光谱术等) 和波谱学技术(包括核磁共振术、电子自旋共振术、穆斯堡尔谱术等) ，对推动生命科学的发展始终起着至关重要的作用。 随着生命研究向更微观和更复杂两个方向的发展，一些新的物理技术和仪器正在向我们显示出各层次生命活动的连续变化图像，帮助人类揭开生命本质的神秘面纱，促进人类健康长寿。近年新发展的单个生物分子的研究（包括观测其构象变化、功能活动，及其与其它单分子相互作用的动力学过程）可揭示出过去检测多分子集体行为平均化所掩盖的“个性”和蕴藏的丰富信息，从而深入了解生命活动的微观规律。观测单分子的技术有两类：1) 扫描探针显微术，包括扫描隧道显微术 、原子力显微术 、扫描离子电导显微术等；2) 光学技术, 包括扫描近场光学显微术、光钳技术、荧光标记(能量共振转移和荧光偏振) 等。下面举出几种现代物理分析技术在生命研究中的应用的例子（此处不具体介绍仪器工作原理）。一、电子显微镜电子显微镜是材料科学中的重要检测手段。电子显微分析技术对生命科学和医学的发展也起着重要作用，它使生命科学和基础医学研究从细胞水平进入到了分子水平。运用电镜可以迅速确定蛋白质、核酸的详细结构，可以看到病毒和细菌的内部结构，还能直接观察到某些大的有机分子及晶体的构像，甚至单个原子。生物体基本上是由碳、氢、氧、氮四种元素构成，且含有大量水分，如活细胞中水占95%，所以观察“活”显微组织，要求样品较厚。为此，加速电压得达到106伏，电子才能穿透样品。但在这么高能量的电子束的辐照下，“活”样品会受到损伤。此外，电子对碳（有机物中多）和氧（水中多）的散射差别不大，使水背景下难以观察到具有明显反差的显微结构。再加上待测样品是放在真空中的，因此电镜无法观察活的生物样品。二、X 射线衍射阐明生命活动本质的主要基础之一是了解蛋白质空间结构与其生物功能间的关系。蛋白质晶体X射线衍射是蛋白质空间结构测定的主要方法。近年来利用晶体学技术研究蛋白质分子取得了突破，为今后物理学与生物学的结合开辟了一条途径。随着X 射线衍射晶体学空间分辨率的不断提高，得到了大量蛋白质在原子分辨率水平的空间精细结构。当然，晶体学技术也有不足：需要分离出足够量的纯蛋白质（几毫克～几十毫克）并制备出单晶体，数据收集、计算和分析繁杂，蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同。三、核磁共振另一种研究蛋白质结构的技术是核磁共振术(NMR)。NMR 弥补了X 射线晶体学要求对生物分子结晶的局限，可直接检测溶液中生物分子的结构。现代核磁共振技术已经从一维发展到三维，在计算机的辅助下，可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构。四、同步辐射1947年，美国通用电气公司的实验人员在调试一台新设计的电子同步加速器时发现，电子在环形管道中作高速圆周运动时向外辐射连续X射线，这就是同步辐射。与X光管所产生的X射线相比，同步辐射X光具有波长连续可调、辐射功率大、亮度高、准直性好、偏振性好（线偏振光）、稳定性高等优点。这些优点使它在原子分子物理、材料科学、化学、生命科学、医学、微电子技术和微细加工等诸多领域获得了广泛的应用。利用同步辐射X光可研究生物大分子的三维结构、生化反应过程中结构随时间变化的动态过程、辐射对细胞的作用，尤其是可以对含水量多的活体生物样品（如活细胞）的动态过程进行显微观察。利用X射线激发样品微区产生的X射线荧光，可以分析样品中所含的元素及其空间分布，获得样品中成分的二维以至三维信息。但由于常规光源较弱，限制了常规X射线荧光分析的应用。同步辐射光源具有诸多优异特性，用它去激发X射线荧光，可大大提高微量元素分析的灵敏度和空间分辨率。对于生物样品，同步辐射X射线荧光分析在空间上可以达到单层乃至单个细胞的水平，探测极限可以达到ppm(10-6)甚至ppb(10-9)量级。近年来人们又发展了X射线全息术（XFH）和X射线断层术（XFT）。目前的X射线全息术已可识别单晶中的原子分布，若使用第四代同步辐射源，还可以对不能生成结晶的单分子、病毒和其它分子形式重构其原子分布图。采用X射线断层术已可观测单个细胞的结构、直观地重构蛋白质的结构。五、扫描隧道显微镜和原子力显微镜在第九章中，已经介绍了扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的物理原理及其在材料科学中的应用。在生命科学研究中，STM和AFM同样具有独特的优势：（1）可以获得分辨率小于1nm的二维和三维结构图像，能直接观察和操纵单个原子和分子；（2）可以在常温、常压、大气、潮湿或水溶液等条件下直接观察活生物样品；（3）能在接近原子、分子、超分子、亚细胞乃至细胞水平的不同层次上，全面研究生物样品的结构；（4）操作比电镜和X射线衍射简便，所需样品量少且成本低。1989年1月，美国科学家发表了第一张在大气环境下的DNA分子的STM图象，这张图被评为该年度美国的“第一号科技成果”。同年4月，中国科学院上海原子核研究所与上海细胞生物学研究所合作，获得了鱼精子B型DNA的直观图像。这一成果也被美国《大众科学》评为1989年度重大进展。探索DNA新构型是STM对DNA结构研究可能作出的第一个重要贡献。此后，研究者们相继得到了左旋DNA、双螺旋DNA的碱基对、平行双螺旋DNA的STM图象。我国科学家利用STM成功地拍摄到表征DNA复制过程中一瞬间的照片。这些激动人心的进展为探索未知核酸结构开拓了一条新路。用STM研究蛋白质结构也获得了成功。我国科学家获得了人体β-珠蛋白基因的某个调控过程中DNA形成环结构的STM图象，这对了解真核基因调控机制具有十分重要的意义。利用STM还可以获取细胞膜和细胞器表面的电子结构信息，研究细胞膜、细胞器表面结构在不同环境条件下变化，以及与这种变化相关联的生理过程的静态信息。运用AFM技术可以对DNA分子进行操纵：将双螺旋状的DNA分子链拉直，对DNA链上任意位点进行原子力切割。这对DNA物理测序以及精细基因图谱的获得都是至关重要的。DNA复制、蛋白质合成、信息传递等都是由分子间力控制的，AFM对微小相互作用力的高度敏感使其成为研究生物分子的分子内、分子间力的有效工具。现在全细胞的AFM成像已经实现，通过AFM研究活细胞在外界作用下发生的结构变化已接近实现，用AFM技术可以实现对活细胞中分子的在位检测。六、荧光标记用荧光标记鉴别生物分子构象变化是动态结构生物学研究的最新成就。例如,著名的诺贝尔物理学奖得主朱棣文等应用荧光能量转移法在荧光显微镜下观测一种RNA 分子单分子折叠的研究成果,揭示了分子从未折叠态到折叠态之间有一个快速折叠的中间态,是生物单分子研究发展的一个里程碑。
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学②生命体的基本单位——细胞一、细胞除病毒以外，所有的生物体都是由细胞构成的。细胞是生物体的结构和功能的基本单位，主要由细胞膜、细胞质和细胞核三部分组成（图11-3-1），生物体的一切生命活动都是通过它进行的。细胞直径约为10-4～10-3厘米，包含1013个左右的原子，成人约含1013个细胞，细胞内75%为水。生物体由多个结构层次组成，如人体共有八个层次：生物大分子→大分子集团→细胞器→细胞→组织→器官→系统→个体。越是低等的生物，层次越少，如细菌只有三个层次。细胞通过分裂进行繁殖，通过表面与周围环境不断进行物质及能量的交换。图11-3-1细胞构成根据细胞结构的特点和复杂程度的不同，可将细胞分为原核细胞和真核细胞两大类。多数生物是由真核细胞构成的，叫做真核生物。支原体、细菌、蓝藻和放线菌等是由原核细胞构成的，叫做原核生物。多细胞生物拥有的细胞通常数以亿计，且种类繁多，形态各异，大小和功能也各不相同。绝大多数细胞用肉眼观察不到。1665年英国人罗伯特·胡克用自制的显微镜发现了细胞，解开生命之谜的大门渐渐开启。今天，人们在高倍显微镜下可以清晰地看到细胞的内部结构。细胞虽然很微小，但是却有非常精细的结构和复杂的自控功能，这是细胞得以完成一切生命活动的基础。利用电子显微镜观察到细胞的内部结构其实是非常复杂的，细胞里面有几千种大分子，这些大分子主要有两类：一类是蛋白质，占了细胞大分子的大部分；另外一类是核酸，占细胞大分子的小部分。蛋白质是生命活动的载体和功能的执行者，而核酸是遗传密码的传递者和基因指令执行者。近几十年来，由于电子显微技术，以及近代物理学和化学新技术在细胞研究上的广泛应用，特别是近年来分子生物学概念与方法的引入，对于细胞的研究进入更加深入的阶段，且进展迅速。二、细胞膜细胞表面姿态万千，形状怪异，但细胞始终保持为整体，被一层膜包住，将细胞与外界分开，这层薄膜称为细胞膜或质膜。细胞膜是一个复合的结构体系，也是一个多功能体系。在电子显微镜下观察，细胞膜分三层：里层是膜下溶胶层；外层为糖被，是由细胞膜上的蛋白质与多糖结合形成的糖蛋白，主要起识别、保护、润滑等作用；中间是磷脂双分子层，这是细胞膜的基本支架，由它支持着许多蛋白质分子。构成细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子大都是可以流动的，而不是静止的。细胞膜具有物质输运、信息传递和能量转换功能。细胞膜把细胞与周围环境隔离开，阻止细胞内物质的流失，保持其化学组成的相对稳定，使细胞能相对地独立于环境而存在，维持其正常的生命活动。细胞在新陈代谢过程中，需要不断地从外界得到氧气和营养物质，同时排出代谢产物，而这些物质的进入和排出，都必须经过细胞膜，这就是物质的跨膜转运。细胞膜的特殊结构允许某些物质或离子有选择地通过，但又能严格地限制其他一些物质的进出，从而保持了细胞内物质成分的稳定。除了物质转运外，细胞膜还有跨膜信息传递和能量转换功能，免疫、激素和药物作用、神经传导也都离不开膜的作用，新陈代谢的调控、细胞癌变等都与膜密切相关。三、细胞质细胞膜以内、细胞核以外的全部物质称为细胞质，其中具有可辨认形态和能够完成特定功能的结构叫做细胞器（如线粒体、叶绿体、内质网、核糖体、高尔基体、中心体和液泡等），其余部分称为细胞质基质。细胞质基质是细胞的重要结构成分，体积约占细胞质的一半，其中含有多种无机物、有机物以及数千种与中间代谢有关的酶。它不仅为细胞内各类生化反应的正常进行提供相对稳定的离子环境，为细胞器行使其功能提供所需要的一切原料。同时，细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等也都要通过它来完成。细胞质基质是活细胞进行新陈代谢的主要场所，蛋白质的合成、脂肪酸的合成、糖的酵解等过程都是在这里进行的。生命活动中要连续不断地实现各种功能，就需要大量的能量。这些能量从何而来？三磷酸腺苷（ATP）就是一个贮能仓库，整个生命世界都以ATP为细胞的各种活动提供能量。ATP中蕴藏着很高的能量。当生物体需要能量时，就可以使ATP分子分解成二磷酸腺苷（ADP），并释放出能量供生物体使用。1摩尔ATP在细胞内环境中水解，可放出能量12~14千卡，这个能量可使每个分子中一个电子提高0.5~0.6伏电位，这在生化反应中是极为可观的。那么，ATP中的能量又从何而来呢？这些能量的最初源泉都是太阳。植物进行光合作用时，把太阳光能转化为化学能，使ADP转化为ATP，并将能量贮存在ATP中；动物通过摄食其他生物，先获得糖类、脂肪、蛋白质等有机物，糖类酵解氧化时释放的化学能使ADP转化为ATP，脂肪、蛋白质氧化分解产生能量使ADP转化为ATP，供其需要能量时使用，如肌肉运动、信息传递、细胞膜物质输运、维持体温和各种生化反应等。ADP吸收能量转化为ATP， ATP放出能量又转化为ADP，如此循环不息，生命不止。四、细胞核原核细胞没有成形的细胞核，其内部只有一团含核样物质的拟核，且拟核周围没有核膜，脱氧核糖核酸（DNA）裸露在细胞质中。细胞核是真核细胞最重要的组成部分，直径约为10-14厘米,占细胞体积10%左右。细胞核由核膜、核质组成，核仁和染色质悬浮于核质中（如图11-3-2所示）。细胞核是细胞遗传、生长、发育、分化及代谢等生命活动的控制中心。图11-3-2细胞核结构图核膜是细胞质和细胞核的分界膜，由内、外两层组成。在内外膜的融合处形成环状开口，称为核孔。核孔是由上百种蛋白质组成的、具有复杂和精细结构的体系，是一个选择性双向通道，严格控制着核和细胞质之间的物质和信息交流。染色质是细胞核内易被碱性染料染色的物质。染色质由DNA、蛋白质及少量RNA（核糖核酸）组成。染色质是一种动态结构：在细胞分裂间期，呈细长的丝状且交织成网弥散于细胞核中；在细胞分裂期，染色质细丝高度螺旋化、缩短变粗，浓集成为棒状或杆状，称为染色体。染色质和染色体是同一物质在间期和分裂期的不同表现形态。染色体有基本恒定的数目(因生物的种属不同而异)，例如人体细胞有染色体23对,共计46条。其中44条（22对）为常染色体，2条（1对）为性染色体。染色质是遗传信息储存所，因为其中所含的DNA是遗传物质，DNA复制在这里进行。核仁是位于细胞核内的非膜结构，呈圆形或椭圆形的匀质颗粒状，没有外膜。核仁的超微结构包括颗粒组分、纤维中心和致密纤维组分。核仁富含蛋白质和RNA分子，核糖体中的RNA就来自核仁。核糖体是合成蛋白质的场所，所以蛋白质合成旺盛的细胞常有较大和较多的核仁。在细胞分裂过程中，其形态结构及功能随着整个细胞核发生明显的变化。核仁不仅是细胞内通讯和核糖体RNA合成加工的中心,而且在细胞周期、细胞增殖和衰老中起重要调控作用。在这一节中，我们从细胞的结构出发，初步探讨了其中的一些物理和化学过程。但实际上，不管是细胞的结构，还是其内部的物理、化学过程都不是这么简单的，其复杂程度甚至超乎我们的想象。生物体内每时每刻都在发生数量巨大的复杂的物理和化学反应，其中很多已为科学家们所了解，但未知的恐怕更多。正如第一节中所讨论的，“生命现象不能简单地还原为物理和化学现象”，但对生命活动中的物理、化学过程的了解，必将有助于揭示生命的奥秘。五、遗传与基因1953年美国生物学家沃森和英国物理学家克里克提出遗传物质DNA分子的双螺旋结构模型，并为X射线衍射实验所证实。DNA双螺旋结构的发现阐明了遗传的本质，揭示了生命世代相传的分子基础。DNA分子的双螺旋结构模型物种通过遗传可确保种族的延续。遗传的实质是遗传物质从上代传给后代。上世纪五十年代，人们证实了所有生物的遗传物质都是核酸。核酸分子是由成千上万个核苷酸（基本组元）连接组成的长链，分子量约为6×106。一个核苷酸又包含一个碱基、一个核糖S、一个磷酸根P，是分子量约为1000的大分子。核酸分为两类：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。除某些病毒的遗传物质是RNA外，其他所有生物包括人的遗传物质都是DNA。DNA主要存在于细胞核中，RNA主要存在于细胞质中。构成核苷酸的碱基有五种：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T、尿嘧啶U。碱基指嘌呤和嘧啶的衍生物。构成DNA的碱基为A、T、G、C（遗传信息就包含在由这四个字母编写的语言中），而RNA的碱基为A、U、G、C，因此DNA和RNA分子中都只有4种不同核苷酸。DNA与RNA不仅化学组成不同，而且空间构型各异，RNA是单链，DNA具有双螺旋结构，看起来像是一个盘旋状的梯子（这里不做详细介绍）基因是具有遗传效应的DNA分子片断，是控制生物性状的功能结构单位。在个体发育过程中，一定的基因在一定条件下控制着一定的代谢过程，从而体现着一定的遗传特性。每个DNA的片断含有几百个或几千个碱基，四种碱基在各个片断(基因)中可以按不同的而对每个基因来说又是按特定的顺序排列，这些排列顺序中就编入了遗传信息，4种碱基可形成非常复杂的密码。如果将核酸看作一种语言，A、T、G、C就是构成这门语言的字母，而生物体的全部遗传信息就是用这四种字母写就的生命之书。对人而言，这本书长达60亿个字符，以每页3000个印刷符号计算，会有200万页，可见生命之书包含的信息是何等巨大。基因决定生物体的遗传性状，个体的各种性状又是通过各种蛋白质来显现的。也就是说DNA是遗传信息的物质载体，蛋白质是遗传性状的表达者。1957年，克里克指出：遗传信息是由DNA传递给RNA，再由RNA传递给蛋白质的，这就是遗传学中的“中心法则”。生命的繁殖首先要经过细胞核的分裂，细胞核分裂时染色体也要分裂。既然遗传物质DNA存在于染色体中，在细胞分裂过程中DNA也要成倍增殖。在增殖过程中产生的DNA都具有相同的遗传信息。虽然遗传信息的携带者是核酸，但遗传信息的传递和表达、基因功能的执行，是在蛋白质的调节控制下进行的。蛋白质的分子量为104~107，是由20种氨基酸小分子（每个氨基酸的分子量约为100，按各种排列组成的长链（生物大分子），它好象是用20颗钻石穿成的“项链”，但是它必须卷曲、折叠成为一定的构型才能完成特定功能。蛋白质的种类极多，人体中就有30万种。
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学①生命与生命现象的复杂性一、生命与生命科学世界上最令人惊奇的，莫过于生命。然而，什么是生命，却是一个不易回答的问题。从生物学角度，可以给生命作如下定义：生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，是一个与外界不断进行物质和能量交换的开放系统，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。生物种类繁多，生命现象十分复杂，从错综复杂的生命现象中可以概括出一些共性即生命的基本属性：（1）化学成分的同一性。 从元素成分看，生物都是由C、H、O、N、P、S、Ca等元素构成的；从分子层次来看，生命体中有蛋白质、核酸、脂肪、糖类、维生素等多种有机分子。其中蛋白质由20种氨基酸组成，核酸主要由4种核苷酸组成。〔2〕严整有序的结构。生命的基本单位是细胞，细胞内的各结构单元（细胞器）都有特定的结构和功能。生物界是一个多层次的有序结构。在细胞这一层次之上还有组织、器官、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中的各个结构单元，如器官系统中的各器官、各器官中的各种组织，都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命系统。（3）新陈代谢。新陈代谢就是指生物体与周围环境之间进行物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程。生物体不断地吸收外界的物质，这些物质在生物体内发生一系列变化，最后成为代谢过程的最终产物而被排出体外。生物个体的新陈代谢包括相互联系的两个方面：同化作用与异化作用。同化作用是指生物从外界摄入物质（如动物吃食物、喝水），经过一系列的转化过程，将外来物质转化为自身的物质（如构建体内的糖、脂肪和蛋白质），并把能量储存在自身的物质内的过程；异化作用是指生物个体内的物质分解成较简单的物质，并释放出能量，以供活动所需的过程。生物个体正是通过新陈代谢——同化与异化作用的过程维持生命。个体的新陈代谢停止，生命即告终结。（4）生长与繁殖。生物的生长，是指生物把生命所需要的物质吸收到体内，经过一系列转化后成为其自身的物质，而使生物个体长大的过程。生物生长到一定程度后具有产生后代的能力，即具有繁殖能力。生物的繁殖保证了种族和生命的延续。（5）遗传、变异与进化。生物进行繁殖时，具有“类生类”现象，如狗生狗、猫生猫。这种亲代与子代相似的现象称为遗传。生物的遗传是由基因决定的。但是，亲代与子代之间，以及子代各个个体之间总会有差异，这种现象称为变异。变异使生物的某些性状发生变化。生物有了变异，通过自然选择把有利变异在群体中固定下来而成为新类型，称为生物的进化。没有可遗传的变异，生物就不可能进化。生物通过遗传、变异和自然选择，不仅使得生物界的各个物种具有相对的稳定性，而且使得生物界由低等到高等、由简单到复杂、由水生到陆上逐渐进化，形成了今天庞大的生物体系。（6）应激性。应激性是指生物个体对外界刺激发生反应的特性。例如，人的手触到热源会缩回，昆虫晚上会向光源聚集，都是对刺激的反应。高等动物的运动受神经系统的控制。生命科学是研究生命物质的结构和功能、生命活动现象以及生物之间和生物与环境之间的关系的科学。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的前沿科学群。其基础是从分子、细胞、个体、种群、群落等不同层次研究生命现象的一些学科，如分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、神经生物学、发育生物学、生态学等，并可包括遗传工程、生态工程学、资源生物学、生物医学工程学等重要技术科学学科。二、生命现象的复杂性地球上现存的生物估计有3000~5000万种，目前经过鉴别的有仅170多万种，尚不足十分之一。物种的复杂多样只是生命现象复杂性的一个方面。随着研究的深入，科学家发现，生命是一个极为复杂的非线性系统。即使是最简单的单细胞生物，它也显示出任何人工制品都无法比拟的复杂和精巧，能对外界刺激做出各种反应。一些简单分子组装成大分子后会出现某些新性质，而生物大分子之间的相互作用与自组织也会产生新功能，这些新性质或新功能往往是难以从形成它们的物质基础上推断出来的，这是复杂性的又一方面。古希腊科学家亚里士多德认为生命的本质在于灵魂：植物有营养灵魂，动物有感觉灵魂，人类有理性灵魂，这种看法被后人奉为真理。然而在17世纪，笛卡尔对此提出了挑战：除人以外，其他生物没有灵魂。此外，笛卡尔还提出了机械论，认为生物体是一部遵循物理定律而活动的机器。后来，又有人提出了活力论，认为生物体内存在一种“活力”或“生命力”，不能从一般的物理和化学的角度对生命现象进行认识和解释。活力论借助于神秘的“活力”将生命世界和非生命的无机世界截然对立起来。1928年，德国科学家维勒用人工方法合成了尿素，打破了有机物和无机物之间的界限。相应地，活力论与机械论之争也逐渐演变为还原论与整体论之争。还原论认为生命现象虽然很复杂，但同样遵循基本的物理和化学规律，可以通过对构成生命的物质基础的研究来揭示生命活动规律。20世纪中叶，随着蛋白质空间结构和DNA双螺旋结构的发现，生命研究进入了最繁荣的分子生物学时代。分子生物学的研究涉及生命现象最本质的内容，它把各个层次的生命活动有机地联系起来，在新的高度上探讨生命的奥秘，并且全面改变了生物学的面貌。科学家们已然清楚，控制生物体一切行为的物质基础是蛋白质、RNA（核糖核酸）、DNA（脱氧核糖核酸）等生物大分子，并进而阐明了遗传的分子机制和遗传信息是怎样指导生命活动的。分子生物学的巨大成功使还原论在20世纪的生命科学研究中占据了主导地位。但整体论认为，生物分子要复杂到一定程度才会出现生命现象，并不能单靠还原论来说明。因为还原论方法使生命复杂性的面貌变得模糊，而生物体的复杂结构实际上是生物特性的一个部分，故不能把生物体简单地还原成原子、分子或物理、化学反应。从生理学到组织学，再到细胞学，进而到分子生物学和量子生物学，生命科学越分越细，人们对生物界和生命现象的了解也越来越深入。但是这样的研究过程绝对不能看成是简单的还原论，因为孤立地对个别基因或生物大分子进行研究不可能认识生命的全貌，毕竟生物体内还有有机小分子和无机小分子。要揭示生命的本质，从整体角度对各类分子进行整体研究，乃至对整个生物圈的研究都是必不可少的。总之，随着研究内容的深入和研究手段的提高，科学家们已经有能力在更为全面和更为复杂的层面上分析生命现象。“生命的本质和起源，意识的产生和发展”是生命科学领域最根本、最难回答的问题，人类已为此探索了几千年，而且还会继续研究下去。三、物理学家看生命1932年，量子力学奠基人之一—玻尔在题为《光和生命》的演讲中指出，试图把有机体简单地还原为化学的相互作用来回答“生命是什么”，就如同试图画出每个电子的位置来描述原子一样困难。物理学家薛定谔指出，生命物质在遵从迄今已确立的物理学定律的同时，可能还涉及至今尚未了解的“物理学的其他定律”，这些新的定律一旦被揭示出来，将跟以前的定律一样，成为这门学科的一部分。出于对科学统一的信念，以及对奇妙的生命现象的深入思考，他于1944年出版了《生命是什么》一书，试图用热力学、统计物理及量子力学的理论和方法来剖析生命的本质，为物理学和生物学的统一做了有益的探索。薛定谔在书中提出了一些极富启迪的思想和概念：（1）遗传的物质基础是有机分子，遗传是以密码的形式通过染色体来传递的。（2）生命体中存在量子跃迁现象，基因结构的高度稳定性、X射线诱发的突变都是有力证据。遗传机制是建立在量子论基础上的。（3）生命有机体赖“负熵”为生。DNA的发现及其空间构型的测定已证实了薛定谔的深刻洞察力和科学预见性。下面我们着重分析“生命体如何赖‘负熵’为生”。薛定谔认为，活的生物体是一个开放的非平衡态体系，它通过新陈代谢与环境进行物质和能量交换，同时不断地产生熵。一切实际过程都是朝着熵增加的方向进行的，生命运动也不例外。我们知道，熵的增加意味着系统混乱度的增加和能量的退化。当熵达到最大时，系统达到热力学平衡，处于最无序的状态，所有能量都不再可供利用，整个系统衰退成死寂的、毫无生气的一团物质，生命也就此终结。而实际上生命是物质有秩序、有规律的行为，生命体作为宏观系统能保持自身的高度有序状态，能避免很快地衰退到平衡态，并不断向有组织性的方向进化。对此，薛定谔的解释是：“一个生命有机体要活着，唯一的办法是不断地从环境中汲取负熵。……有机体就是靠负熵为生的。或者更明白地说，新陈代谢的本质就在于使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。”他引入“负熵”作为有序性的量度，接着以高等动物和植物为例，认为高等动物从极为有序的、作为食物的、复杂程度不同的有机物中不断地汲取“序”，即负熵，植物主要从太阳光汲取负熵，从而使它们自身维持在一个稳定而又低熵的水平上。比利时科学家普里戈金也指出：“生物体是一个远离平衡态的非线性开放系统，是一个高度复杂的宏观有序的自组织系统。”他称这个系统为“耗散结构”，因为维持这种组织必须从外界不断地输入“负熵”，来维持不断地耗散着的能量。薛定谔指出，复杂的生命现象是无法归结为物理学的普通定律的。我们不必为此感到沮丧，因为根据我们对生命物质结构的了解，这正是意料中的事。这倒不是说生命物质中存在“新的力”在支配着生命有机体内单个原子的行为，而是因为它的构造同迄今在物理实验室中研究过的任何东西都不一样。因此我们必须去发现在生命活体中占支配地位的新的物理学定律。这种定律既不是超物理学的，也不是非物理学的，正是前面提及的“物理学的其他定律”。在《生命是什么》一书中，薛定谔极力倡导从分子水平来探索遗传机制和生命本质。该书的发表吹响了生物学革命的号角，在西方科学界产生了深刻影响。在方法论上，他强调以物理学和化学的理论、方法和实验手段来研究生物学。薛定谔从一个理论物理学家的角度，为生命物质和遗传机制的研究开创了一条全新的途径，促成了现代生物学从定性描述到定量研究、从强调整体到重视具体机制、从强调生命与非生命的差别转到强调两者之间的统一、从单学科研究走向多学科综合研究的重大转折，同时促进了分子生物学的诞生，他本人因此被公认为分子生物学的先驱。生命是什么，生和死的界限到底在哪里？这是一个自有人类以来就一直困扰人们的难题。哲学家、生物学家、物理学家以及化学家们对此倾注了大量心血，形成的学说也是林林总总。分子生物学的出现虽然使这个问题完全纳入了现代科学的轨道，但离最后答案仍有不小的距离。可以确定的是，将复杂的生命现象和生命运动简单地还原为物理化学现象和物理化学运动揭示不了生命的本质。生命现象和生命运动确实有其自己的特点。首先，生命是由核酸和蛋白质大分子为基础构成的。核酸(DNA和RNA)在生命整体和个体的延续中起信息载体作用，蛋白质则起信息识别和功能表达作用。其次，生命体总是不停地与环境发生物质和能量交换，这种交换及产生这种交换的机制就是新陈代谢，而且，如果交换物质和能量过程中得以降低自身的熵值(即从外界汲取负熵)，生命就获得肯定性发展，反之为否定性发展。第三，生命体具有遗传和变异特性。第四，生命体是一个具有高度有序性的开放系统，能接受并处理外界信息以及产生信息。第五，生命体能自我调节，对环境具有适应性反应。最后，生命体是发生和死亡的统一，正是因为生命个体有生有死，生命整体才永恒不绝。这些特点说明生命体是一个极为复杂的系统。
物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学序 言——物理学与生命科学、医学的关系20世纪，物理学的理论、方法和模型在生物系统中得到了广泛的应用，物理学与生物学的交叉结合形成了生物物理学及其众多分支如分子生物学、量子生物学、生物信息学、纳米生物学、脑与认知科学等。物理学与现代医学的联系也十分紧密，例如物理医学诊断和治疗技术在医学领域日益显示出巨大的作用。在库仑创立电学不久，伽伐尼就通过青蛙神经接触两种金属引起肌肉收缩这一著名实验，揭示了生物电现象。生物学曾为物理学启示了能量守恒定律，物理学则为生物学提供了显微镜、X光、激光、示踪原子、中子衍射、核磁共振、同步辐射、扫描隧道显微镜等各种现代化实验手段和技术，也为生命科学提供了重要理论概念、原理和方法。物理学宏观理论如热力学、统计物理、耗散结构理论等，使人们能够从宏观角度出发去研究生物系统的物质、能量和信息传递、转换的关系；物理学微观理论如原子分子物理、量子力学等使人们能从微观角度去研究生物大分子和分子聚集体（膜、细胞、组织等）的结构。现在，物理学方法已经能够从电子水平、分子水平和分子体系多个层次上研究复杂的生命现象。物理学中的x射线衍射技术，阐明了遗传物质DNA的双股螺旋三维空间结构，这是20世纪生命科学最伟大的成就。然而，却很少有人注意三位获诺贝尔生物奖的DNA双螺旋结构发现者中的两位都是物理学家(即威尔金斯和克里克)。从此，现代生物学成为了更加精密的科学，也导致了分子生物学的形成。分子生物学是从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。现代生物学已将生物的各种生命活动归结到细胞水平，为了解担负这些过程的物质群，而从这些物质的相互作用、相互转化等方面去阐明各种生命活动的本质。这样，对生物体的物质动态及其本质过程的机理进行电子水平的研究已逐渐发展起来，所以把这种研究的分支领域称为量子生物学，有时也称为电子生物学。随着基因组研究的深入发展，DNA、RNA和蛋白质数据近年来呈爆炸式的增加，用物理学的理论、方法分析和解释这些数据，便产生了生物信息学。生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。其研究重点主要体现在基因组学(Genomics)和蛋白学(Proteomics)两方面，具体说就是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构功能和生物信息。随着现代生命科学逐渐进入介观水平，它必然强烈地依赖能实现纳米操作的物理方法和仪器如近场光学显微镜、原子力显微镜和光钳等，另一门新兴科学——纳米生物学就此诞生了。运动与能量、非线性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导。总之，可以认为生命科学的根本性进展必然依赖于物理学理论与方法。把生命物质和生命过程作为真正的物理对象加以研究的时候，物理学的研究方法便显示出其重要地位。因为，物理学所研究的是自然界最基本最普遍的规律，当然也包括生命系统的基本运动规律。相对物理学而言，生命科学的研究对象极为特殊，它们只存在于地球“生物圈”这个有限空间（迄今尚未发现地外生命现象）、出现生命后的有限的历史时期以及一个较狭窄的温度范围。尽管如此，但它们必然遵循基本的物理规律。在20世纪，伴随着近代物理革命，人们开始从物理学角度考虑和研究生命科学的基础问题。量子力学的创立者薛定谔最早提出遗传密码的概念，并在他的《生命是什么》一书中认为遗传基因既相对稳定又发生变异，只能用量子力学中分立能级和量子跃迁理论解释。如今，物理学对复杂系统（生命系统是一个非常复杂的系统）研究进展迅速，而生命科学又积累了大量的事实和数据，从而更加速了物理学和生命科学的密切结合。物理学跟医学有着不可分割的内在联系。人的生命活动包含有大量的物理运动形态，如呼吸运动、血液循环、肌肉伸缩、听觉现象、能量代谢、人体电现象及人体磁现象等都是物理现象。因此，要深入研究人体的生理、病理现象，开发新的诊断和治疗方法，提高预防和治疗效果，都必然要涉及物理理论和技术。随着生命科学、近代物理学和计算机科学等的迅速发展，人们对生命现象的认识逐步深入，医学的各分支学科已愈来愈多地把它们的理论建立在精确的物理理论基础上。物理学不仅为医学中病因、病理的研究和预防提供了现代化技术手段，而且为临床诊断和治疗提供了先进的器械设备。在现代医学中，物理学带来了精确的检测手段，不必说体温计、血压计这些小型医疗器械，X射线透视、光纤制作的各种内窥镜、X射线计算机断层扫描(X－CT)、超声成像和核磁共振成像(MRI)、正电子发射断层显像(PET)、肿瘤放射治疗等等这些先进的医疗设备都是物理学原理与技术的应用。这些技术不仅大大减少了病人的痛苦和创伤，提高了诊断的准确度，而且直接促进了现代医学影像诊断学的建立和发展，使临床诊断技术发生了质的飞跃。物理学与医学的结合或者说物理学原理、技术、方法在医学中的应用，形成了许多交叉学科如医学物理学、医学电子学、核医学、医学影象物理学、激光医学、物理诊断学、保健物理学等。可以说，没有物理学，就没有现代医学的今天。
物理知识系列讲座（三）——物理学与信息技术4——物理学与信息技术当今世界正经历一场新的科学技术革命，信息技术处于其核心和先导地位。信息技术正在改变原有的社会产业结构和经济结构，改变人们的劳动方式和生产方式，改变社会生产组织和管理体制，成为决定生产力发展速度和经济竞争力高低的关键。从有线通讯到无线通讯、微波通讯和卫星通讯，再到光纤通讯，单位时间的通讯量逐渐加大。国际互连网和信息高速公路的迅速发展，使其成为世界上最大的信息交流和资源利用系统。物理学与信息科学结合又形成了量子信息科学，包括量子计算机、光子计算机和量子通信。一、信息与信息技术概念信息指消息、情报、资料、数据、信号等包含的内容，是对客观事物状态的描述。对大量信息进行分析、处理、提炼将形成有用的知识和智能。信息是一种重要的资源和财富。信息的表现形式有声音、图像、文字、数据、视频等。计算机是一种新的信息工具，信息要进入计算机必须数字化，即用二进制形式表示成计算机中的所谓数据。也就是说，要把关于某人、某事、某对象或某环境转换成抽象的数据才能被计算机所“认识”，信息是可以进行数字化的对象。信息处理包括对信息的分解、组合、排序、转换、变换、编码、调制、存储、检索、运算等等。计算机是代替人脑对大量信息进行处理的重要工具，是人类大脑的延伸，因此又称为电脑。1946年第一代电子管计算机问世，此后人们又开发了晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机，集成度和运算速度快速提高，体积和功耗不断减小，应用的领域由军事、科研拓展到社会生产和生活的方方面面，如今正朝着超大规模集成电路以及人工智能化方向发展。要使信息能够远距离传输，必须把它转换成为光、电等物理量。带有信息的光、电随时间变化的形态称为信号。随时间连续变化的信号称为连续信号，也叫做模拟信号；随时间间断变化的信号称为离散信号，也叫做数字信号。通常以两个离散值“0”和“1”来表示二进制的数字信号。语音、图像及电视等是模拟信号，用模拟-数字转换（A/D转换）器，将模拟信号进行取样并将取样值转换成数字信号输出。当取样频率足够高时，转换后的数字信号就能够保存原来信号的特征，再经数字-模拟转换（D/A转换）器进行反变换又可恢复为原来的模拟信号。只有数字信号才能输入到计算机里或数字通讯线路进行传输。信息技术（简称IT）是与信息的获取、加工、存储、传输及应用有关的技术，覆盖了微电子技术、计算机技术、数据处理技术、现代通信技术和人工智能技术，是一门综合科学技术。信息处理与传输的步骤是：将声音、图像、文字、数据、视频等各种信息转换成数字信号输入计算机；计算机对数据进行处理，通过载体进行传输；再由数字信号转换成声音、图像、文字、数据、视频等。信息不同于物质和能量，但它与物质和能量又有密切的联系。这是因为信息必须以物质（包括电磁场物质形态）为载体（如声音所包含的信息以声波为载体，电报所包含的信息以电流为载体等等），并且在其传输、转换等过程中必然伴随着相应的能量消耗、补充或转化过程。信息技术涉及到微电子学、半导体物理、光学和光电子学等。可见，信息技术与物理学是紧密相关的，物理学在其中起着关键的作用。二、信息的获取 传感技术 遥感技术信息的获取是信息利用的前提。单靠人类自身的感觉器官获取信息，不仅数量有限，而且不够准确和客观。为了克服人体器官的局限和自然条件的限制，人们发展了各种传感技术和遥感技术，大大拓展了获取信息的能力。通过传感器和遥感技术可以将自然界的各种物理量或信息转换成电信号，再经数据采集和A/D转换，变为数字信号就可以输入计算机进行处理。传感技术和遥感技术是信息获取的重要手段。传感器是一种信号转换的装置或器件，它能将某种物理量按一定规律转换成有用的信号。在测量技术和仪器中，通常是把一些不便测量的物理量（非电量）转换成电量进行测量。传感器技术实际上是一种利用材料的能量转换效应（包括物理效应、化学效应、生物效应等）制成信号转换器件的技术。传感器种类繁多，目前尚无统一的分类方法。按照所依据的效应，可以分为物理型、化学性、生物型传感器；按照敏感元件材料，可以分为陶瓷传感器、光纤传感器等；按待转换的物理量，可以分为压力传感器、温度传感器、位移传感器、光敏传感器、声敏传感器等；按照传感器的工作原理，可分为压电式传感器、电磁式传感器、电阻式传感器、电容式传感器等；按照输出信号的不同，可以分为模拟传感器和数字式传感器两类。在信息技术中，传感器技术是把各种各种物理过程提供的信息转换成电信号，以便获取和处理信息的技术。伴随着信息传输技术的全面数字化、小型化、自动化和网络化，信息的获取也要实现数字化与自动化，即需要将各种信息转换为电信号。例如要收集温度信息，就需要根据温度的范围、探测对象，制成温度传感器。根据某些热敏材料随温度升高而电阻增大的性质，可以制成热敏电阻温度传感器，把温度信号变为电信号，再进行数字化、自动化处理等。光电传感器是利用材料的光电导效应、光生伏特效应、光电子发射效应等原理，将光信号转变为电信号的装置。电阻式传感器的基本原理是将被检测量或被转换信号转变成电阻值获得相关信息的装置。由于引起导体、半导体、绝缘体电阻变化的因素有压力、内应力、温度、湿度等，因此利用电阻式传感器可以获得力、位移、形变、加速度、温度、湿度等信息。有些晶体和陶瓷电介质在特定方向的外力作用下发生形变时，两端面会出现异号电荷，在电介质内部产生电场，这种现象叫压电效应。具有压电效应的晶体和陶瓷分别叫压电晶体和压电陶瓷。利用压电效应制成的传感器叫做压电传感器，压电传感器可以实现机械能与电能的转换，从而把机械振动信号（如声信号）、压力、形变等转变为电信号。遥感技术是通过非直接接触在远距离对目标进行测量和识别的信息获取技术。遥感主要是通过安装在地面观测站及车辆、飞机、卫星、航天飞机等运载工具上的各种遥感器，收集和整理目标及其所处环境的辐射或反射的电磁波信息，得到数据和图像，再经计算机处理或人工图像判别，获取信息，以迅速识别目标及其环境的性质、状态和变化的各种信息特征。遥感技术是现代信息技术的重要组成部分，应用广泛。如探测地表和海洋自然环境，评估自然资源，监测大气环境，从云图中获取气象信息，军事侦察，地形测绘等。遥感是把远处目标和环境内所辐射的各种波段的电磁波和反射的电磁波信号加以收集和记录。遥感的两种方式是：接收自然辐射能的被动方式和接收人工辐射能的主动方式。被动方式研究的是地、物对太阳辐射的反射情况和地、物自发辐射情况；主动方式是利用激光或雷达波照射地、物，研究反射回来的辐射情况。早期的遥感手段是照相，后来发展了多光谱照相、多光谱扫描成像与红外技术。三、信息存储技术信息存储是通过介质把信息保存或记录下来的一种方式。现代信息记录技术主要是磁记录、光记录和半导体记录，其中最主要的是磁记录。磁记录是把可以转换为电信号的信息，输入、记录和存储到磁性介质中，且能从中取出和重现该信息的过程。信息可以是声音、图像、数字等。将磁粉均匀地涂布于某种基体上或基体上制备磁性薄膜，便是磁记录载体。磁记录过程是：由声音或图像转换成的电信号使磁头产生与信号一致的磁场，磁头在载体表面相对移动，磁记录介质被磁化而有剩磁，载体上各处剩余磁化强度大小与信号变化规律是一致的，于是以剩余磁化的形式将信号记录下来。反过来，已记录信号的磁记录介质通过磁头，剩余磁化强度的强弱变化，使拾波线圈感应出同步变化的电流，该电流经电声或电像转换又将得到原来记录的声音或图像。按照信息记录的方式，磁记录可以分为连续的模拟记录和分立的数字记录两种。前者用于录音和录像等，后者用于计算机记录等。对数字磁记录，首先要将信号转换成二进制的“0”或“1”。记录后，磁记录介质只有正负两种剩余磁化强度或状态。目前使用的磁记录载体有磁带、磁盘、磁鼓、磁卡等。在计算机中使用的磁记录载体是软磁盘和硬磁盘。它们记录的信息量单位是一个二进制数的位，8位二进制数称为一个字节，称为1B。一般把1024B记作1KB，1024KB记作1MB，1024MB记作1 GB。3.5英寸高密度双面软盘的存储量为1.44MB。现在计算机硬盘存储量为40～80GB。除固定硬盘外，计算机还有能随身携带的可移动硬盘，使用通用串行总线接口即USB接口与计算机连接。磁记录介质材料是铁磁性颗粒，颗粒越细，存储密度越大。但颗粒细到一定程度时，表现的不是铁磁性而是超顺磁性，超顺磁性不会保留剩余磁化强度。这样，太小颗粒的磁体不能作磁记录介质使用。现在磁记录所用的铁磁颗粒已接近极限。光盘是继磁盘以后，数据存储领域最重要的信技术。光盘是一种涂有光敏介质（如磁光材料作记录介质等）的平面圆盘。通过光的调制，将数据按规定格式以亮点和暗点形式的二进制位存储在介质上。光盘利用一个聚焦激光束的极小光点上高度集中的能量，采用非接触式读写方式写入和读出信息，存储密度极高，容量大，保存时间长。半导体存储器是最早用于计算机的内存储器。随着半导体技术的发展，半导体芯片价格下降，又开始用作计算机的外存储器和各种电器的信息存储器。微型计算机使用的一种外存储器称为闪烁存储器，简称闪存。通常使用的U盘就是闪存盘，是USB接口与存储卡集成在一起的。四、信息传输技术最早的信息传输采用的是电缆连接的有线通讯系统，如电报和电话，这是电信息的直接传输，也是“一”对“一”的传输。电报用直流电就可以传送，把要传送的信息写成文字，再把文字编成信息电码通过电线传输过去，收到信息电码后再把信息电码译成文字就得到了传送的信息。电话是把声音变成电压的振动传送出去， 再通过电声设备把电压振动复原为声音。传送电话需要的也是直流电，信号通过直流电压的变化传送出去。直流电是有线电话和有线电报的载体。有线通讯必须有专用电线，远距离通讯成本高，直流电能成本也高，且一条线只能只能做一个通讯线路。因此，出现无线通讯技术以后，无线电话和无线电报便很快发展起来。无线通讯是以无线电波为载波的通讯。无线电波就是从长波、中波、短波到微波的各种波段的电磁波。各种波段的电磁波用于无线通讯的传播规律有别。频率较低的电磁波可平行于导体表面传播，地球表面是导体，电磁波可贴着地球表面传播，这种传播方式叫做地波传播。长波和中波主要靠地波传播。由于它们的波长较长，传播时可绕过障碍物（衍射）。当电磁波斜着射向大气电离层时，一部分被吸收，另一部分被反射回到地面，这样的传播方式叫做天波传播。短波的传播主要靠天波传播。微波可以穿透电离层，它不能靠天波传播，由于频率很高也不能靠地波传播。微波传播只能靠空间传播即通过空间直线传播。无线通讯以电磁波为载体，称为载波。无线通信的基本原理是先将要传输的声音、文字、图像等信息转变成电信号，将其调制到高频等幅振荡电流上放大，再把信号放在这些电磁波载体上通过天线发射出去；无线电波传播途中若遇到接收天线，其高频变化的电磁场会使天线中产生同频率的感应电流，通过选择频、解调放大，便可提取被传递的信息。信号调制方法有：（1）调幅—使载波的振幅随信号而改变；（2）调频—使载波的频率随信号而改变；（3）调相—使载波的相位随信号而改变。利用空间电磁波传输信息， 发展了广播和电视及各种无线通讯，这种传输是把电信息附在电磁波载波上，是“一”对“多”的传输。雷达是一种无线电探测和定位技术。雷达发射的是脉冲微波。当脉冲遇到障碍物如飞机时，就会被反射回来而被接收。雷达可以测量回波方向、波的发射和返回的延迟时间、障碍物的方位、回波频率相对于发射波频率的改变以及障碍物所在方位角移动速率等，由此可以判断障碍物所在方位、距离以及速度的大小方向。微波是波长很短的电磁波，已接近红外波段，波长在厘米量级上下。由于其频率很高，可以容纳大量的通讯通道。借助卫星通讯，可以实现全球微波通讯。卫星通信是航天技术和电子技术相结合而产生的一种重要通信方式。通讯卫星是一种作为远程通讯中继站的人造地球卫星。地面通讯信号通过微波发射出去，通讯卫星接收信号并放大再转发回到地球上。采用微波是因为微波可以穿透大气电离层，到达电离层以外的通讯卫星，也可以在转发时穿透电离层到达地面。根据通信卫星相对地球的运动状态，将其划分为运动通信卫星和静止通信卫星。运动通信卫星是中（高度约1万公里）、低（高度几百至数千公里）地球轨道卫星，将多颗这样的卫星组成通信系统，便可实现全球数字化个人通信。静止通信卫星就是地球同步卫星，它的运转周期与地球相同，定点于赤道上空约3.6万公里高处，可覆盖全球三分之一多一点的地区。现在使用最多的是同步通讯卫星。只要有三颗这样的通讯卫星固定在赤道上空，每两颗与地心的连线成120o角，就能实现任何两地的卫星通讯。卫星通讯具有传输距离远、覆盖区域大、灵活、可靠、不受地理环境条件限制等独特优点。目前，移动通信是一种普遍的无线通讯手段，其使用的波段一般是微波波段。移动通信按使用要求和工作场合不同可以分为（１）集群移动通信，也称大区制移动通信，其特点是只有一个天线高度为几十米至百余米的基站，覆盖半径为30-50KM。用户数约为几十到几百，它们可以与基站通信，也可通过基站与其他移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。（２）蜂房移动通信，也称小区制移动通信，其特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。每个小区的用户在1000以上，全部覆盖区最终的容量可达100万用户。（３）卫星移动通信。对于车载移动通信可采用赤道固定卫星。对手持终端，采用中低轨道的多颗卫星系统较为有利。（４）无绳电话。它是在室内外慢速移动的手持终端的通信，采用的是小功率、通信距离近的无绳电话机，经过通信点与市话用户进行单向或双向通信。 移动通信技术的发展已经历了三个阶段。第一代是模拟移动通信系统。第二代是数字移动通信系统，目前正广泛使用。第三代移动通信系统正在开发，其基本特征是将无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合，能够处理图像、音乐、视频等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。微波频率高，能容纳较多的通讯频道。然而，可见光的频率比微波的频率还要高一百倍以上，故用可见光作载波，可容纳的通讯频道比微波又要多得多。另外，无线通讯能传输的空间距离也受到一定的限制。光纤通讯则应运而生，光纤通讯是采用光纤以光波为载波的信息传输。什么是光纤？ 光纤最初用于医用内窥镜（如胃镜等），也应用于测量仪表，现广泛应用于光通信（光缆）。光纤是高透明电介质材料（如石英玻璃、塑料）制成的非常细小（直径125～200μm）的低损耗纤维，具有束缚和传输光的功能。光纤传输依据的是介质的全反射原理。根据光的反射和折射定律，光入射在两介质的分界面上时，一方面要反射，另一方面要发生折射。当光从光疏介质（折射率小）射到光密介质（折射率大）（n1＜n2）时，按折射定律sinθ1/sinθ2=n2/n1，则入射角θ1＞折射角θ2（图9-4-1 a）。当光从光密介质（折射率小）射到光疏介质（折射率大）（n1＞n2）时，则θ1＜θ2（图9-4-1 b），使入射角θ1增大，θ2随之增大。θ2≥π/2时，折射光消失，入射光则发生全反射，此时θ1称为入射临界角。如图9-4-2 ，当光线以临界角入射到光纤内壁上时，就发生全反射，此时光线在光纤内壁上传播路径呈锯齿状，避免了折射损耗，光的强度基本上没有减弱，这就是光纤传输原理。载有信息的光，通过光纤传输的距离可以很远，而且可以同时传输多道信息。图9-4-1 光的折射图9-4-2 光纤通信原理由于激光具有单色性好、相干性好、方向性好的特点，现代光纤通讯都采用激光作为载波。 光纤通讯虽然是“有线通讯”，但和过去的电话那样的单道通讯不同，同一条光缆可以同时传送许多通讯频道的信号，从而使远程通讯的成本大大降低。光纤通讯是现代网络通讯的基础。实际上，光在光纤中传播有损耗。这种损耗来源于材料本身的吸收和散射，以及杂质吸收和波导结构不完整引起的散射。因此在传统的光纤通讯中，每隔几十公里就需要设置中继放大器。随着国际互联网的迅速发展，人们对通讯技术的要求越来越高，对更大容量的信息传输技术的要求更迫切，于是光孤子通讯技术应运而生。光孤子在由非线性介质制成的光纤中传输时，能保持形状和速度不变，不需要像传统光纤通讯那样设置那么多的中继放大器，因而成本更低，速度更快。两个光孤子脉冲在非线性光纤中碰撞，碰后不会改变形状，因此脉冲与脉冲之间的间隔可以更窄，从而大大提高传输信息量。目前已在实验上实现了两万公里以上无中继站的光孤子通讯，脉冲间隔小于飞秒（10-15s）,单位时间内信息传输量是传统光纤的10万倍以上。所以，光孤子通讯最有希望成为21世纪的主要通讯技术。现代远距离信息传输，主要是无线的微波通讯和有线的光纤通讯。通过微波通讯实现的有无线电视、移动电话、卫星通讯。由于微波只能直线传播，远程传输需要中继站。卫星通讯可以实现全球无线通讯。通过光纤通讯、卫星通讯实现的有全球电子邮件通讯和全球网络通讯。在现代通讯技术中，数字通讯技术起了重要作用。数字通讯的关键是把一切信息都数字化，转换成二进制数代码的数字脉冲信号进行传送。数字信号在传送过程中相当稳定，不易失真，可靠。现在越来越多地采用数字通讯技术。五、量子信息科学基于量子力学基本原理的信息科学称为量子信息科学，主要包括量子计算机、光子计算机和量子通信。量子计算机是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。量子计算机的运算、信息处理、存储能力十分强大。例如，有一个包含全球电话号码的资料库，要从中寻找一个特定号码，现在速度最快的超级电脑，大约要花一个月的时间才能完成任务，而一台量子电脑只需27分钟。光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式，可以有效解决信息安全问题。具有保密性强（无法破译）、大容量、远距离传输等特点，是21世纪量子物理和信息科学的研究热点。有关量子信息科学内容，另行专门介绍。
