【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，是中国著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，其中最著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。