10月10日 温度与生命 (刘静)-第1章
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2002年10月10日 温度与生命 （刘静）
主讲人简介
刘静，男，博士，研究员，博士生导师。曾任教于清华大学，并在美国普渡大学任副研究员；1999年应中国科学院百人计划之聘，任理化技术研究所研究员至今；中国制冷学会理事。主要从事“高低温生物医学技术与仪器”、“微纳米热学器件与系统”等项目的研究，在国内外出版了多部论文与专著，申报专利约20项。
温度与生命 （刘静）
我们都有这么一个感觉，炎热的夏季大家的感觉就是比较热，在比较寒冷的冬季大家的感觉就是冷，这说明一个什么问题呢，实际上这两个现象都跟温度有关系。我们今天所要介绍的这个主题就是温度与生命，一个就是我们首先要介绍一下生物热学的一些概况，大概的一些情况，其次我们要对温度的概念进行一个阐明。因为，温度是非常常见的一个现象，但是实际上有很多问题是需要澄清的，再其次我们想介绍一下热舒适性的问题，以及高温生物医学这方面的一些进展情况，接下来我们再介绍一下生物材料的低温保存，以及跟这方面有关的冷冻外科及其相关问题，最后我们做一下小结和展望。
现在我们实际上很多人都认可这么一个提法，就是21世纪是生物学的世纪，实际上，生物医学技术现在已经被认为是本世纪三大前沿研究领域，一个就是生命科学，再有就是纳米技术，和信息科学之首，那么它已经成为发展创新科技的前沿和制高点，而且近期呢，国内外很多著名大学和重要研究机构，都竞相地增设和投入这方面的研究力量，以此来确保它在科技竞争中保持优势，尤其在中国这么一个期待在科学技术上重新崛起的国家，生物医学技术是尤其需要得到相当关注和重视的。
具体说到热科学在生命科学中的角色呢，事实上都是跟温度有关系的，而温度或者说热，或者冷对生命系统的影响同时是体现在纳米尺度和微米尺度，具体 说到纳米尺度实际上像分子，细胞生物里边的分子实际上是纳米尺度，那么微米呢，像细胞，它可以从几个微米到几十个微米，所以说热和冷的作用，往往最先是对分子或者说细胞作用以后，最后又反应到组织的宏观尺度上，这方面的工程应用背景实际上是非常宽的，刚才我已经讲到，我这儿只是列几个非常典型的生物热医学工程的背景。
比如说像生物材料和生物个体的保存，大家知道，像现在社会上广泛宣传的就是公民应该有义务来献血，这个血液献了以后，它是用血袋保存起来，最后实际上在冷库里面储存，如果没有储藏的话，是很容易就变质的，就不能用了。
再有就是血液冷冻干燥，这个在军事医学上非常重要的，另外就是低温外科，也就是利用低温冻结来进行肿瘤治疗，这么一个医学技术，与此相对应的也有利用高温来进行肿瘤热量，另外就是我们很多人也许都有这么一个经验，就是说理疗，实际上很多理疗它的效应是通过加热以后来产生的，还有可移植人工器官的热限制问题，我们知道，可移植人工器官它实际上是一种电学器件，它有能源，能源就是一通电的话，是要发热，这种发热对于一些很重要的器官，比如说心脏，如果温度过高的话，是非常之危险的，所以在设计这些人工器官的同时，这个热限制问题是非常重要的，这个也需要工程技术来加以研究和考察。
再有就是一个跟大家日常生活密切相关的，就是手机辐射，实际上人们没有意识到这么一个问题，就是在你用手机的时候，手机对外的电磁辐射，实际上对人体有害的，如果功率很大的话，实际上是非常有害的，这方面所涉及到的热效应或者非热效应，这些都是需要研究的，再有就是疾病热诊断，比如医院里边现在已经渐渐引入一些红外热诊断，它主要是通过体表的温度分布进行成像，正常的人体跟疾病状态下的体表温度存在一定的差别，如果把这种差别跟疾病关联起来是可以作为疾病诊断，它最大好处就是无损。再有就是温控药物输送，也就是根据人体的温度来进行药物的输送，等等这样一些问题都跟热科学是密切相关的。
我们下面主要对一些非常典型的热科学问题，或者生物热学现象做一些提纲 挈领的介绍。首先我们介绍温度的概念，实际上温度与生命的关系从外延来讲是非常广泛的，我们知道正常的哺乳动物，比如说人类，他只能生活在一个非常狭窄的温度范围之内，但是，在这个地球上大家可以注意到这么一个事实、现象，或者说像地球的表面，各处都存在着生命，另外像南极地带，南极地带的话实际上它的水实际上已经冻结了，它也存在很多生命，另外就是在海底火山口，这个地方实际上存在海水沸腾，也存在很多生命现象，大家就想在这么一个温度跨度是非常之大的范围里，都存在生命，原因是什么，实际上这个原因到目前我们还不能够完整地回答，这个有待于将来进一步再加以研究，另外大家也可以问这样的问题，比如说月球、火星等等这样一些星体上为什么不存在生命，是不是跟它的温度也有关系，当然这个温度跟生命的现象也只是其中之一，我想。
生命现象是非常丰富的，在各个温度范围都存在，我们一般所考察的生物热科学它的研究范畴主要是包括这么几类，一个是正常的哺乳动物生理温度，这个跟人体的疾病康复等等这样一些（问题）也是密切相关的，再有就是高于正常哺乳动物的生理温度。这个高于的话，实际上也可以这么理解，有的就是略高，有的可以非常非常之高，甚至像极端的话就会出现烧伤，这些都是生物热学应该研究的问题，再有就是低于正常的生理温度，低于也是有一个温度范围的，比如说略低，或者说低得很低，甚至是冷冻，医学上也有非常重要的应用。
关于低温这个概念我想在这儿澄清一下，因为在工程上的话，实际上低温的话通常是指比零下120℃更低的这个温度范围，在生物医学中的话，低温实际上是一个很宽广的范围，它可以指从正常的体温从37℃，直到零下196℃，举个例子，像低体温医疗，比如说后面我会提到低体温脑复苏，它的温度是略低于37℃，也就是体温，动植物耐寒的研究，它的温度范围是在0℃上下。因为这个涉及到结冰现象，而生物的低温保存因为冷冻它的温度可以达到零下196℃，所以低温的概念是很广泛的，具体说到人体体温，体温一般指的是深部的体温，而对于体表的温度实际上变化是非常之大的，它很容易受到周围环境的影响，它实际上一般可以在20℃到14℃之间变动，在人体全身各个器官之中，肝脏的温度是最高的，大概接近38℃，临床上这个都跟大家是比较密切相关的，临床上一般测体温，它主要是测几个部位，一个就是腋窝，再一个就是口腔和直肠，一般说来，直肠的温度大概是在36。9℃到37。9℃，温度是最高的，口腔的温度略低，腋窝的温度是最低的，但是腋窝由于测量起来比较方便，所以用的是最多的，正常人的腋窝的温度一般是36℃到37。2℃，所以如果说测的温度范围在这么一个数字范围之内，就可以认为是正常的。
说到人体体温，其实我们实际上可以注意到人体的体温它一天之内实际上是在做周期性的变动，一般说来，清晨2点到6点，体温是最低的，在下午的2点到8点体温是最高的，这种变化实际上跟人体的活动，以安静下来的节律性代谢、 血液循环以及呼吸机能的相应周期变化是有关的，如果改变生活方式，比如说长期上夜班的人，他有可能存在夜间的体温反倒偏高，白天体温反倒下降。
另外就是体温也跟年龄是有关的，比如说新生儿，特别是早产儿，由于他的体温调节机构还没有发育完善，体温非常容易受到这种外界环境的影响，所以对新生儿应该加强护理，而老年人他基础代谢率偏低，所以体温也是偏低的。另外体温跟性别是有关的，男性跟女性体温是存在一定的差异，一般说来女性的体温平均比男性要高0。3摄氏度，而且随着周期而变动，这幅图实际上反映的是工程研究人员测定的，就一个月之内，女性的体温所发生的波动性情况。我们可以问这么一个问题，就是人体的温度，人类的体温，为什么是37℃，人类实际上是属于恒温动物，恒温动物的话，它实际上满足这么一个关系式，就是体内产热量应该等于身体向环境的散热量。只有这样，才能保持他的体温的恒定。
实际上这也是经过长期演化，包括生物的进化，得到的一个结果，就是体温今天达到37℃，在哺乳动物刚出现的时候，实际上地球上的温度是变化非常大的。那个时候哺乳动物的温度并非像现在所认为的恒温，到达侏罗纪时代，也就是大家可能看过《侏罗纪公园》，这个时候，地球上的温度是基本上是趋于恒定，热带和温带的气候是相差无几，哺乳动物也基本上是在这个时候形成了相对恒定的体温。有人曾经推算过，根据那个时候的环境状况，推算过人体或者动物那个时候最佳的舒适温度大概是28℃，这个跟我们今天房间里面人们一般感觉到的最佳的舒适温度，22℃或者20℃左右是存在一定的差别。但实际上也是有原因的，因为那个时候人体或者说哺乳动物它是在不着衣的情况下，我们今天是在着衣的情况下，所以最佳的舒适温度可以要略低一点，这些都是有原因的。
对于体温存在异常的情况下，比如说发热，这也是跟我们日常生活也是密切相关的。发热就是由于这个体温调节中枢本身的功能出现紊乱，导致产热功能大于散热功能的时候，人体的体温就会超出正常的范围，医学上一般是称为发热，或者就是日常生活中所说的发烧。其实发热也有它正面的意义，轻度或者中度发热是有利于增强肌体防御系统的活性，它可以提高抗病能力。具体表现为像白细胞增多，吞噬细胞的吞噬作用增强，另外抗体生成增多，肝脏的解毒能力加强。所以，人们据此也将人工发热来用于消除炎症，甚至在某些情况下，还利用发热来治疗肿瘤。但是发热持久，或者过高的话，对人体是非常有害的，尤其对婴儿。所以发热的一个最主要的问题是应该迅速降温。发热的一般途径一般是外来致热源，像病毒、细菌感染人体以后，导致产生一些致热源细胞，这样就进而形成内生致热源，最后影响到丘脑下部的体温调节中枢，最后导致代谢上升，血管收缩，从而产热量大于散热量，最后导致体温上升。这就是发热的一般途径。但实际上目前医学研究已经基本趋近于成熟，但是工程研究定量化还是比较少。
体温恒定的意义是非常重大的，我们这儿只想举一个比较极端的一个例子，比如说早产婴儿的保温室，对于正常的婴儿不存在这个问题，早产婴儿有一个什么特点呢，一个就是体重偏低，另外体温调节能力差，所以容易受到外界环境的致命影响。所以临床上为了最大限度提高早产婴儿的存活率，往往要采用一个婴儿保温箱。我这儿给出几幅图，实际上是反映的是早期的人类所制造的婴儿保温箱的情况，那么早期主要是一些实际上很简单的这么一个容器，容器的室壁它是透明的，可以从外面观察婴儿的一些情况。现在婴儿保温箱已经发展到用计算机来控制，所以可以控制它的热量、包括湿度、包括氧气，这么一些供应情况，这方面工程上可以做很多工作，比如说采用计算机来辅助设计，可以根据婴儿的健康状况，根据容器的体积大小，可以调节比如输入多少氧气，输入多少水分、湿度还有温度，室壁上是不是需要附设一些辐射器或者加热器等等，它所导致的保温箱里边的温度分布、氧气分布、氧气浓度的分布、还有湿度分布，这些可以通过计算机来加以计算，以此来提供设计的一些参数。
中医诊断，下面我介绍一下，这都是发生在常温情况下的一些现象，人类总是尽可能地利用一些现象，来为人类服务，其中中医诊断，祖国医学中有望闻问切，其中之一就是手感探病，其中实际上就包含了判断体温这么一个做法，如果说医生他可以用手来感觉一下病人的体温，如果过高过低这个都跟一定的疾病状态是相关的。现代医学已经在此基础上大大往前推进了一步，利用红外或者一些其他仪器来进行人体体表热图的监测，以此来判断疾病状态，实际上热诊断它是有它的科学依据。比如说体表温度，它实际上是受到皮下的血液循环、局部组织的代谢、还有皮肤的热传导性、以及皮肤与环境间的温度与湿度交换等等制约的。如果说出现疾病，往往会导致体表温度出现异常。如果利用红外或者其他的仪器把体表温度监测下来的话，可以用来做疾病诊断的一个重要依据，那目前利用热诊断可以诊断的范围大概是像癌症的早期诊断、像乳腺癌、或者像分辨一些烧伤度、另外像血管性疾病的判断、深部病变像炎症、矫形术等等都可以用体外温度监测的办法来进行诊断。
再谈一谈热舒适性的问题，这个是专门提出来的，我们这引用一首诗，这是在国际期刊上发表的一首诗。它是这么说的，“人啊，真是奇怪的动物，当热的时候想到冷，当冷的时候他想要热，总想得到没有的东西，人真是奇怪的动物”。实际上，不管奇怪与否，确实这个舒适性的问题跟人类历史一样久远。比如说在人类的早期实际上用钻木取火，或者用火来取暖，这已经在文献上或者一些考古学都是有记载。但是通过融化冰雪来获得热舒适，比如像炎热的夏季，通过融化冰雪来获得热舒适，还没有考古学的记录，传说中古罗马的皇帝曾经命人将山上的积雪收集到他的花园里边来冷却自然微风，以此来获得热舒适，应该指出的就是19世纪之前还没有机械制冷，所以那个时候任何人工冷却空气的尝试都必然用到冰雪冷水或者蒸发冷却方式。近年来，随着家用冰箱的普及，所以炎热夏季也有人提出用冰块来获得热舒适性。
另外谈到生命现象，像生物体膜表面，它实际上也是很奇特的。比如说我们拿蝴蝶来看，我这儿展示的一幅图是指的凤蝶或者大闪蝶。大家可以看到体表，这两种蝴蝶的体表，实际上从外形来讲没有多大的差别，但是在结构上存在很多差别。它们就是说可以通过控制蝴蝶翅膀的表面，来调节它的辐射特性。一部分，就是用来比如说色彩，大家可以看到蝴蝶表面可以出现各种各样鲜艳的彩虹色，这些都是由于辐射所引起来的。再有就是做热量的收集器。实际上蝴蝶它们可以利用热量来调节自身的温度，所以还是有它这方面的作用。这幅图反映的是在蝴蝶翅膀表面上发生的一些辐射现象，比如说像干涉、散射、衍射、非平面镜面反射，所以蝴蝶翅膀在阳光下可以变得五彩斑斓的原因之一，其中就跟这些作用是密切相关的。
温度对生命的影响其实是非常奇特的，我再介绍一个现象。我们比如做这么一个实验，把一窝乌龟把它分成两半儿，一半儿放在30℃下，另一半儿放在25℃的恒温中来孵化。两个月之后，前者就孵化出来了，但是做性别检测以后，发现全部是雌性，后面一半儿当孵化出来以后检测，会发现它全是雄性，所以很奇特。温度对它在性别的显�
