施永德

（復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院生物物理學(xué)教研室，上海 200032）

1 前言：力學(xué)滯后環(huán)

給某一個(gè)系統(tǒng)施加力時(shí)，這系統(tǒng)就會(huì)給出相應(yīng)的反應(yīng)力。前者是作用力，后者是反作用力。這一對(duì)力之間存在著某種依賴(lài)性，也存在著某種差異性。通過(guò)這一對(duì)力的分析，可知該系統(tǒng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中的變化，從而推知這一系統(tǒng)物質(zhì)所具有的功能。舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，如用手把一把榔頭對(duì)某塊大巖石用力一敲，巖石的反作用力會(huì)把手上“虎口”振的非常疼痛，說(shuō)明巖石的結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)硬；如用手把同一榔頭對(duì)于某塊棉花毯一敲，棉花毯的反作用力很弱，不會(huì)把手上“虎口”振痛，說(shuō)明棉花毯的結(jié)構(gòu)非常柔軟。從這一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，可說(shuō)明對(duì)于某一系統(tǒng)給以作用力與其反作用力的分析，可以知道物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系。巖石也好、棉花毯也好，這是大型的、人們所熟悉的東西與常識(shí)而已，不舉這個(gè)例子普通人們也知道其原理和常識(shí)。然而對(duì)于人體的細(xì)胞、血液、精液、植物的勻漿液、蛋白質(zhì)、核酸等生物物質(zhì)的力學(xué)滯后環(huán)與屈服應(yīng)力而言，就有不同研究的價(jià)值了。所謂力學(xué)滯后環(huán)，是不僅觀(guān)察作用力與反作用力之間的力量數(shù)值上的差異，而且還要觀(guān)察作用力與反作用力之間在時(shí)間上、數(shù)值上存在著互相滯后與衰減的差異。把所給的作用力由小至大、反作用力發(fā)生數(shù)值與時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)將其逆向過(guò)程也連續(xù)地記錄下來(lái)，根據(jù)這一記錄結(jié)果可以畫(huà)出該系統(tǒng)的力學(xué)滯后環(huán)的圖形，又根據(jù)滯后環(huán)的形狀和曲線(xiàn)走向，可以推知系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和能量變化的關(guān)系。力學(xué)滯后環(huán)技術(shù)是一項(xiàng)高技術(shù)，它涉及到所給作用力數(shù)值自動(dòng)控制與記錄、反作用力產(chǎn)生數(shù)值系列的自動(dòng)記錄、以及與時(shí)間、溫度等多維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，有計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)發(fā)展的今天，就能更妥善精密實(shí)現(xiàn)。此外醫(yī)學(xué)生物學(xué)所研究的對(duì)象，往往是所取樣品十分寶貴、索取樣品量又少、所給樣品系統(tǒng)的作用力是非常微小的（大了就把樣品本身搞壞了），力小難以精確定量化、相應(yīng)地其反作用力的數(shù)值也微量化，因此這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物學(xué)中的研究，與工程學(xué)上相比，增加了難度，往往被傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)生物學(xué)工作者所忽略。本文擬將血液、精液、含羞草勻漿液此三種力學(xué)滯后環(huán)的特點(diǎn)做比較，說(shuō)明該技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物學(xué)中有利用與普及的價(jià)值。

2 實(shí)現(xiàn)力學(xué)滯后環(huán)測(cè)定的技術(shù)條件

需給一個(gè)樣品系統(tǒng)施加應(yīng)力（或切變率）與時(shí)間呈三角波的伺服系統(tǒng)（如圖1），也即給測(cè)定系統(tǒng)施加由零應(yīng)力（或切變率）開(kāi)始，按照一定時(shí)間間隔，逐步上升到一個(gè)最大值；然后按同一時(shí)間間隔，由此應(yīng)力（或切變率）最大值退回至零。在此過(guò)程中，記錄下給測(cè)定系統(tǒng)施加力數(shù)值、系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)此作反應(yīng)的力、系統(tǒng)的溫度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)記錄。這些數(shù)據(jù)的采集若有計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，就更加容易些。本文部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果是采用上海航天局矯樹(shù)魁高級(jí)工程師為首所研制的空氣軸承HT流變儀和美國(guó)Brookfield所提供的計(jì)算機(jī)程序型DVⅡ流變儀而實(shí)現(xiàn)的。上海、國(guó)內(nèi)和國(guó)際的行家，有足夠能力達(dá)到以上水平。

圖1 切變率（或應(yīng)力）時(shí)控三角波伺服系統(tǒng)示意圖

3 力學(xué)滯后環(huán)的方法、分類(lèi)及理論基礎(chǔ)

3.1 方法 將施加切變率的順序?yàn)闄M坐標(biāo)、將記錄下的系統(tǒng)內(nèi)部給出反作用應(yīng)力作為縱坐標(biāo)，進(jìn)行作圖，看這些圖中的曲線(xiàn)的走向與數(shù)值，就可以用滯后環(huán)的理論推測(cè)被測(cè)物質(zhì)在力作用下結(jié)構(gòu)的變化以及推測(cè)其所具有的功能。

3.2 分類(lèi)與理論基礎(chǔ) 以理論和作者結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定結(jié)果，力學(xué)滯后環(huán)可分為5類(lèi)。5個(gè)類(lèi)型的理論上曲線(xiàn)走向說(shuō)明，以及力作用下系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)內(nèi)能量變化：Ⅰ.順時(shí)針走向的單環(huán)：系統(tǒng)耗散外加作用力的能量（即所圍面積為能量密度速度的和），系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)由聚集變?yōu)榉稚?，體系內(nèi)部發(fā)生柔化和稀化（圖2A）；Ⅱ.逆時(shí)針走向的單環(huán)：系統(tǒng)內(nèi)增加的能量，系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)由分散變?yōu)榫奂?，由顆粒形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，體系內(nèi)部發(fā)生稠化或固化（圖2B）；Ⅲ.“8”字形走向的雙環(huán)，中間有一個(gè)臨界交點(diǎn)，近零處為逆時(shí)針走向（解釋與Ⅱ相一致），遠(yuǎn)零處為順時(shí)針走向（解釋與Ⅰ相一致）（圖2C）；Ⅳ.“8”字形走向的雙環(huán)，近零處為順時(shí)針走向，遠(yuǎn)零處為逆時(shí)針走向（雖然可如此推論，但作者尚未測(cè)定到過(guò)如此情景的材料）（圖2D）；Ⅴ.無(wú)環(huán)型，即上升線(xiàn)與下降線(xiàn)為完全重合的直線(xiàn)，如純水測(cè)定結(jié)果就是如此，說(shuō)明在力的作用下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)沒(méi)任何改變（圖2E）。

圖2 力學(xué)滯后環(huán)的分類(lèi)及理論基礎(chǔ)示意圖

5個(gè)類(lèi)型中，作者的實(shí)驗(yàn)室，除了Ⅳ類(lèi)型以外，其他幾種類(lèi)型已有過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄，從下文的血液、精液、含羞草勻漿液的力學(xué)滯后環(huán)記錄，可知道其各自的特點(diǎn)。

4 滯后環(huán)技術(shù)中的屈服應(yīng)力測(cè)定

滯后環(huán)技術(shù)與被測(cè)定系統(tǒng)的屈服應(yīng)力測(cè)定是結(jié)合在一起的。當(dāng)切變率三角波由零逐步增大至最大設(shè)計(jì)值，然后由最大設(shè)計(jì)值切變率回歸到0 s-1時(shí)，如果此時(shí)被測(cè)系統(tǒng)還存在著應(yīng)力的話(huà)，就與縱坐標(biāo)大于零處相交。其交點(diǎn)的應(yīng)力值這就是屈服應(yīng)力值。對(duì)于流體而言屈服應(yīng)力可以定義為：切變率回歸為0 s-1時(shí)的所具有剪切應(yīng)力（也可以說(shuō)系統(tǒng)發(fā)生變形與流動(dòng)的最小應(yīng)力）。圖3示如何用滯后環(huán)的三角波終點(diǎn)回歸法，獲得屈服應(yīng)力的直接測(cè)定的示意圖。當(dāng)滯后環(huán)的下降線(xiàn)回歸終點(diǎn)時(shí)與縱坐標(biāo)發(fā)生相交，其交點(diǎn)的縱坐標(biāo)應(yīng)力值，就是直接讀到的屈服應(yīng)力值，圖中300 mPa就是被測(cè)樣本的屈服應(yīng)力值，箭頭示滯后環(huán)的走向，為了說(shuō)明該法的原理，該圖的數(shù)字是人工模擬數(shù)值。

圖3 滯后環(huán)三角波終點(diǎn)法獲得屈服應(yīng)力值直接測(cè)定的示意圖

5 血液滯后環(huán)

血液滯后環(huán)屬于圖2中的Ⅲ型, 即“8”字形走向的雙環(huán)，中間有一個(gè)臨界交點(diǎn)，近零處為逆時(shí)針走向，遠(yuǎn)零處為順時(shí)針走向。在上世紀(jì)70年代Huang和Fabisiak[1]測(cè)定了血液滯后環(huán)，由于技術(shù)條件的限制，他們只測(cè)定到遠(yuǎn)零處為順時(shí)針走向環(huán)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立Huang氏全血流變學(xué)方程。到了上世紀(jì)80年代陳叔奇和梁子鈞[2]報(bào)道，他們不僅遠(yuǎn)零處測(cè)定到順時(shí)針走向環(huán)，也測(cè)定到近零處的逆時(shí)針走向環(huán)，兩個(gè)環(huán)之間的臨界點(diǎn)切變率為1～2 s-1，并對(duì)以上方程提出了修正意見(jiàn)。在上世紀(jì)90年代，本文作者實(shí)驗(yàn)室對(duì)一系列健康人和缺血性中風(fēng)病人進(jìn)行了測(cè)定和比較，與陳叔奇和梁子鈞的報(bào)道基本上是一致的，同時(shí)方波和江體乾[3]用動(dòng)力學(xué)方法擬合出4參數(shù)的全血流變學(xué)方程來(lái)表達(dá)整個(gè)滯后環(huán)的走向。本文將作者實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定結(jié)果與臨床應(yīng)用做過(guò)如下工作大致描述如下[4]。測(cè)定正常男性30 名、女性14 名；缺血性中風(fēng)病人男性25 例、女性17 例。實(shí)驗(yàn)采用的儀器是上海航天局矯樹(shù)魁高級(jí)工程師為首所研制的空氣軸承HT流變儀（該技術(shù)曾獲上海市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)）。圖4為女性缺血性中風(fēng)病人與女性正常人血液滯后環(huán)形態(tài)平均值的比較，由于男性情況也相近，故在本文中不再列入。從其“8”字形滯后環(huán)的形態(tài)可以提取出有價(jià)值數(shù)據(jù)。如“8”字形滯后環(huán)的中間交叉點(diǎn)，將之分為兩個(gè)環(huán)，近零處是一個(gè)逆時(shí)針環(huán)（這代表著物體吸收了能量或增加了能量，實(shí)際上就是紅細(xì)胞在切變率或剪切力為零時(shí)形成緡錢(qián)體結(jié)構(gòu)，使血液具有黏彈性體的反應(yīng)性），而遠(yuǎn)零處是一個(gè)順時(shí)針環(huán)（這代表著物體耗散了外加的能量，該能量來(lái)自流變儀轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，實(shí)際上就是紅細(xì)胞緡錢(qián)體在切變率或剪切力較大時(shí)把緡錢(qián)體結(jié)構(gòu)打散的作用，而形成較小的緡錢(qián)體或單個(gè)的紅細(xì)胞的反映），中間的臨界交叉點(diǎn)對(duì)于正常男女來(lái)說(shuō)切變率約為1 s-1，而缺血性中風(fēng)病人則為1.4 s-1，增加了40%。對(duì)于滯后環(huán)所圍面積而言，它代表著所涉及的能量密度速度的大小。對(duì)于近零處的逆時(shí)針滯后環(huán)而言，正常人男性為0.17 erg·cm-3·s-1，而男性缺血性中風(fēng)病人為0.39 erg·cm-3·s-1，后者增加了130%；正常人女性為0.09 erg·cm-3·s-1，而女性缺血性中風(fēng)病人為0.19 erg·cm-3·s-1，后者增加了111%。以上結(jié)果表明缺血性中風(fēng)患者的紅細(xì)胞形成巨大緡錢(qián)體的能力很強(qiáng)（形成緡錢(qián)體體積大、形成速度快、吸收能量多）。對(duì)于遠(yuǎn)零處的順時(shí)針滯后環(huán)而言，正常人男性為0.15 erg·cm-3·s-1，而男性缺血性中風(fēng)病人為0.40 erg·cm-3·s-1，后者增加了167%；正常人女性為0.15 erg·cm-3·s-1，而女性缺血性中風(fēng)病人為0.28 erg·cm-3·s-1，后者增加了87%。以上結(jié)果表明缺血性中風(fēng)患者的紅細(xì)胞緡錢(qián)體要分散為小個(gè)的緡錢(qián)體或單個(gè)紅細(xì)胞所需要的能量，要比正常人大得多（因?yàn)榧t細(xì)胞在通過(guò)微小血管時(shí)必須以單個(gè)紅細(xì)胞才能夠通過(guò)）。至于個(gè)別病例，以上兩個(gè)參數(shù)可以比正常人高出幾倍、幾十倍、幾百倍。如此的情況如果發(fā)生在未發(fā)生缺血性中風(fēng)之前，這種對(duì)象預(yù)先處理好，這就避免發(fā)生缺血性中風(fēng)。

此外，缺血性中風(fēng)患者的血液滯后環(huán)的位置明顯往高上升的，這說(shuō)明血液在流動(dòng)的過(guò)程中，所消耗的能量明顯增加，其消耗的能量可以分為兩部分，一部分為維持血液由黏彈性物體變?yōu)榭闪鲃?dòng)的流體所消耗的能量，另一部分為消耗于流體流動(dòng)過(guò)程中克服內(nèi)摩擦力所消耗的能量。

對(duì)于前者而言，就是與血液的屈服應(yīng)力有關(guān)。滯后環(huán)技術(shù)的另一特別之處，可以直接測(cè)定被測(cè)液體的屈服應(yīng)力。血液也有屈服應(yīng)力，在各人之間是有差別的。我們應(yīng)用上文已經(jīng)提到的滯后環(huán)三角波終點(diǎn)回歸法，獲得屈服應(yīng)力直接測(cè)定。當(dāng)滯后環(huán)的下降線(xiàn)回歸終點(diǎn)時(shí)與縱坐標(biāo)發(fā)生相交，其交點(diǎn)的縱坐標(biāo)應(yīng)力值，就是直接讀到的屈服應(yīng)力值。如此從圖4的滯后環(huán)曲線(xiàn)與縱坐標(biāo)相交的交點(diǎn)可以讀出該值，即正常女性的屈服應(yīng)力是12 mPa，而缺血性中風(fēng)患者的屈服應(yīng)力是20.7 mPa，后者比前者增加了73%。同樣根據(jù)作者實(shí)驗(yàn)室的研究資料示，男性正常人屈服應(yīng)力平均值為16 mPa，缺血性中風(fēng)病人的平均值為26.4 mPa，后者增加了65%。也就是說(shuō)缺血性中風(fēng)患者要維持自己的血液具有流動(dòng)性，要比正常人多付出60%～70%的能量。圖4中可見(jiàn)，以縱坐標(biāo)0～屈服應(yīng)力值這一段為一邊，與橫坐標(biāo)為另一邊，所構(gòu)成的矩形面積，就是心臟付出要讓血液具有流動(dòng)性的能量密度速度的總和，這些能量均來(lái)自于自己心臟的搏動(dòng)，并維持至生命的終結(jié)。因此腦血管病、任何血管病不能不與心功能連在一起的。圖5示正常人與缺血性中風(fēng)病人的屈服應(yīng)力值的比較，可以看出病人組的屈服應(yīng)力值明顯高于正常人60%～70%，說(shuō)明病人的心臟要比正常人多負(fù)擔(dān)60%～70%的能量消耗。

圖4 缺血性中風(fēng)病人（系列2，17 例）與正常人（系列1，14 名）血液滯后環(huán)形態(tài)平均值的比較

圖5 正常人與缺血性中風(fēng)病人的屈服應(yīng)力值的比較

至于后者，即消耗于流體流動(dòng)過(guò)程中克服內(nèi)摩擦力所消耗的能量部分，就是圖3中曲線(xiàn)下的這一塊面積，除去前所述的屈服應(yīng)力矩形面積以外的其他部分面積，就代表著其所消耗的能量密度速度?？梢钥闯銎涿娣e缺血性中風(fēng)患者要比對(duì)照組的大得多，這一結(jié)果也具有保健價(jià)值，因?yàn)槠x對(duì)照組過(guò)高，應(yīng)該加以預(yù)防與治療。此外從理論上說(shuō)，同樣對(duì)照組或疾病組自身而言，其上升線(xiàn)與下降線(xiàn)是有些區(qū)別的，上升線(xiàn)總體來(lái)說(shuō)所圍面積要比下降線(xiàn)所圍面積大些，其原因在于切變率上升過(guò)程中，紅細(xì)胞緡錢(qián)體驅(qū)散成單個(gè)紅細(xì)胞或較小緡錢(qián)體的過(guò)程需要消耗能量，在下降過(guò)程中具有滯后作用與慣性作用，不能夠按時(shí)地復(fù)聚回到屆時(shí)的上升線(xiàn)狀態(tài)，因此消耗的能量比較小些。其原因是切變率歸零附近時(shí)，紅細(xì)胞群體突然地出現(xiàn)形成緡錢(qián)體的高潮，需要補(bǔ)償消耗能量，這就致使上升線(xiàn)與下降線(xiàn)所圍的面積差別。曲線(xiàn)下的面積又可以分為曲線(xiàn)下的非線(xiàn)性與線(xiàn)性的兩部分，施偉等[5]已經(jīng)分別地進(jìn)行了處理，并將非線(xiàn)性部分實(shí)現(xiàn)了連續(xù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)值解, 對(duì)這“8”字形的滯后環(huán)的理論物理意義作了理論與實(shí)際應(yīng)用的解釋。

至于正常男女性別之間，存在著某種差異，原因是女性在具有生育年齡期間，紅細(xì)胞壓積低10%左右，因此女性要比男性下降一些，但是差別不是很大的。到了女性喪失生育能力后，紅細(xì)胞壓積幾乎男女均等，此時(shí)男女差別幾乎就沒(méi)有。

以上血液滯后環(huán)的圖形就是一個(gè)正常與異常的比較，掌握了滯后環(huán)的基本知識(shí)后，就可以知道其血液循環(huán)中的體液部分屬于正常還是異常，它是一個(gè)具有深厚物理學(xué)理論基礎(chǔ)的工具。就是物理學(xué)基礎(chǔ)不太好的，看看滯后環(huán)的圖形與正常人的比較，也可領(lǐng)會(huì)其中醫(yī)學(xué)生物學(xué)的價(jià)值，因此在科學(xué)發(fā)展的今天，該技術(shù)是可以推廣與普及的。

以上工作的完成要感謝華山醫(yī)院秦芝九、唐鎮(zhèn)生、呂傳真等教授與作者一起在上世紀(jì)90年代，向衛(wèi)生部申請(qǐng)關(guān)于“腦血管病的血液流變學(xué)研究”基金共同完成工作的一部分內(nèi)容，同時(shí)得到上海航天局矯樹(shù)魁高級(jí)工程師在儀器上的支持，這儀器屬于上海市第九人民醫(yī)院血液科楊景文和樂(lè)忠慶醫(yī)務(wù)專(zhuān)家研究室的設(shè)備，病人來(lái)自華山醫(yī)院與中山醫(yī)院的急癥室，由如上單位和合作者共同完成的。

6 精液滯后環(huán)

人類(lèi)精液是繁衍人類(lèi)自己的最重要生命物質(zhì)，如果人類(lèi)精液的質(zhì)量存在著問(wèn)題，人類(lèi)自己的繁衍肯定受到了影響。因此人類(lèi)精液的質(zhì)量研究是人類(lèi)科學(xué)研究中的重要課題。以往研究精液的質(zhì)量總是強(qiáng)調(diào)生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的方法，而忽視應(yīng)用物理學(xué)和力學(xué)的方法，其實(shí)后者是影響因素最小的條件下進(jìn)行的。為此本文作者課題組采用力學(xué)滯后環(huán)技術(shù)來(lái)檢測(cè)健康父親的精液特點(diǎn)。測(cè)定儀器是采用美國(guó)Brookfield流變儀公司的電腦程序式DVⅡ型流變儀，切變率調(diào)節(jié)在0－1－0 s-1三角波，用該公司提供的軟件，在Windows下進(jìn)一步自己編制自動(dòng)采樣程序，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、切變率、時(shí)間、溫度的多維自動(dòng)采樣。精液采樣取自健康父親，采用手淫方法放精，精液直接射在流變儀的測(cè)量杯中，每1 分鐘測(cè)量1 個(gè)滯后環(huán)，一直測(cè)定20 min，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)20 個(gè)滯后環(huán)的測(cè)定，結(jié)果如圖6所示[6]。

圖6 射精后1～20 min內(nèi)，同一精液的滯后環(huán)的每分鐘所測(cè)定的圖像，由于5～20 min的滯后環(huán)互相重疊在一起，將在圖8、圖9、圖10分別加以表達(dá)

從圖6可見(jiàn)：第1分鐘的滯后環(huán)屬于逆時(shí)針滯后環(huán)，由于應(yīng)力超出儀器測(cè)量范圍，故測(cè)定半途中，儀器自動(dòng)終止測(cè)定，但是可以計(jì)算出其屈服應(yīng)力在3 000～4 000 mPa，滯后環(huán)所圍面積意味著液體流動(dòng)過(guò)程中所需要的能量密度速度，第1分鐘的滯后環(huán)所圍的面積至少為20.90 erg·cm-3·s-1，意味著精液以此能量密度速度值吸收了能量，展示此時(shí)的精液明顯地屬于黏彈性體的；第2分鐘的滯后環(huán)可以完整測(cè)出，它是一個(gè)典型的逆時(shí)針滯后環(huán)，其屈服應(yīng)力約為2 000 mPa，所圍的面積是13.89 erg·cm-3·s-1，故而是黏彈性體；第3分鐘，它也是一個(gè)典型的逆時(shí)針滯后環(huán)，其屈服應(yīng)力約為843 mPa，所圍的面積是4.12 erg·cm-3·s-1，故而也是黏彈性體。但是到了第4分鐘時(shí)，其典型的逆時(shí)針滯后環(huán)大大消失，所圍的面積大大減少，其屈服應(yīng)力大大變小，故而已屬于流體。第5分鐘及其以后，幾乎所有滯后環(huán)相差不太大，互相重疊一起。由此可以想象出以下情景：精液儲(chǔ)藏在男人精囊里時(shí)，其周?chē)慕橘|(zhì)是屬于黏彈性體，它可以從介質(zhì)里吸取營(yíng)養(yǎng)，但是其行動(dòng)是受到限制的，其實(shí)精子在積蓄力量，等待射精以后，當(dāng)精液在4～5 min內(nèi)液化后，精子開(kāi)始游向卵細(xì)胞并與卵細(xì)胞結(jié)合受精，發(fā)育成為新的個(gè)體。也就是說(shuō)男人的射精這一力學(xué)行為，立即啟動(dòng)了精液由靜止過(guò)渡到精子發(fā)生強(qiáng)力活動(dòng)的狀態(tài)，男人的射精力如同催化劑一樣，啟動(dòng)了精液的生物學(xué)、物理學(xué)與化學(xué)性質(zhì)的大改變，至少在我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果里，展示出在5 min之內(nèi)，由黏彈性體變?yōu)橐后w，有利于精子游動(dòng)至卵細(xì)胞附近實(shí)現(xiàn)受精與人類(lèi)繁殖的功能。圖7示精液射出后，滯后環(huán)試驗(yàn)中讀出屈服應(yīng)力值，由近4 000～5 000 mPa之大，在4～5 min下降為50 mPa左右的情景（由于其中0 min與1 min的屈服應(yīng)力的數(shù)值已經(jīng)超出儀器測(cè)定范圍，其值是根據(jù)直線(xiàn)類(lèi)推出來(lái)的。

圖7 精液射出后滯后環(huán)試驗(yàn)讀出屈服應(yīng)力值由近4 000～6 000 mPa在4～5 min下降為50 mPa左右情景

由于圖6中的滯后環(huán)曲線(xiàn)互相重疊在一起，本文擬將其中某些滯后環(huán)圖形分別繪制，做些有價(jià)值的比較。如圖8示精液被男人射出后在20 min內(nèi)的滯后環(huán)曾經(jīng)有過(guò)三種類(lèi)型的滯后環(huán)。1～3 min為逆時(shí)針環(huán)（圖中來(lái)自第3分鐘的滯后環(huán)數(shù)據(jù)）；3～4 min，遠(yuǎn)零處有如此機(jī)會(huì)：滯后環(huán)合并為一條直線(xiàn)形狀，但是近零處仍保留有逆時(shí)針環(huán)（圖中數(shù)據(jù)是模擬的）；4～20 min后為“8”字形滯后環(huán)（切變率0.2～0.4 s-1時(shí)有一分界點(diǎn)。右邊為順時(shí)針環(huán)，左邊仍為逆時(shí)針環(huán)），此時(shí)液體在遠(yuǎn)零處示觸變性流體，近零處示黏彈性流體，因?yàn)橐后w中有精子與精液的液化介質(zhì)的蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)解體后的產(chǎn)物充分存在，使之不會(huì)完全地失去其觸變性與黏彈性這兩種共有的性質(zhì)。

圖8 精液被男人射出后在20 min內(nèi)的滯后環(huán)有三種類(lèi)型的示意圖

由于圖6中的20 個(gè)滯后環(huán)曲線(xiàn)互相重疊一起，故圖9按照精液射出的時(shí)間，分別取2、3、4、5、10、20 min的滯后環(huán)畫(huà)圖，可見(jiàn)0～3 min是屬于逆時(shí)針環(huán)的，4 min以后則為“8”字形雙環(huán)。前者，呈現(xiàn)為精液屬于黏彈性體；后者，具有雙重性，遠(yuǎn)零處屬于觸變性流體，近零處屬于黏彈性體。說(shuō)明后者的精液已經(jīng)更具有流動(dòng)性了。由于4 min后的曲線(xiàn)仍然互相重疊，為此圖10再做一次改善。

圖9 按照精液射出時(shí)間來(lái)分，0～3 min之前是屬于逆時(shí)針環(huán)的，4 min起則為“8”字形雙環(huán)。前者示全滯后環(huán)呈現(xiàn)為精液屬于黏彈性體。后者則不同，遠(yuǎn)零處具有觸變性流體，近零處屬于黏彈性體。由于圖6中4～20 min的曲線(xiàn)滯后環(huán)互相疊在一起，故本圖選擇如上6 個(gè)曲線(xiàn)滯后環(huán)作展示，但是4 min后曲線(xiàn)仍然互相重疊，為此圖10再做一次改善。

圖10 在5 min以后出現(xiàn)“8”字形雙環(huán)滯后環(huán)作圖時(shí)，互相擁擠一起看不清其變化趨勢(shì)，為此在此圖選擇5、10、20 min時(shí)的同類(lèi)“8”字形環(huán)列出，可看出其趨勢(shì)是：隨著分鐘數(shù)的延長(zhǎng)，雙環(huán)間的分界點(diǎn)逐步向切變率零處靠攏，遠(yuǎn)零處的順時(shí)針環(huán)所圍面積逐步減少，近零處的逆時(shí)針環(huán)所圍面積也逐步減少，意味著液體的觸變性與黏彈性隨時(shí)間的延長(zhǎng)均逐步下降，但是并不完全地消失，因?yàn)橐后w中有精子與精液的液化介質(zhì)的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)解體的產(chǎn)物充分存在，使液體保持留存應(yīng)有的觸變性與黏彈性。

由于在圖6中，5 min以后出現(xiàn)“8”字形雙環(huán)滯后環(huán)作圖時(shí)，互相擁擠看不清其變化趨勢(shì)，為此在圖10選擇了5、10、20 min時(shí)滯后環(huán)作比較，可看出其趨勢(shì)是：隨著分鐘數(shù)的延長(zhǎng)，雙環(huán)間的分界點(diǎn)逐步向切變率零處靠攏，遠(yuǎn)零處的順時(shí)針環(huán)所圍面積逐步減少，近零處的逆時(shí)針環(huán)所圍面積也逐步減少，意味著液體的觸變性與黏彈性隨時(shí)間的延長(zhǎng)均逐步下降，但是并不完全地消失，因?yàn)橐后w中有精子與精液的液化介質(zhì)中的蛋白質(zhì)與解體蛋白質(zhì)產(chǎn)物的充分存在，使液體保持著留存的應(yīng)有的觸變性與黏彈性。

健康父親的精液必須具有如此的雙重性質(zhì)：射精之前具有高屈服應(yīng)力的黏彈性，射精后具有在4～5 min就液化成屈服應(yīng)力只有30 mPa左右的流體。沒(méi)有這雙重性，就會(huì)失去生育能力。這一性質(zhì)的雙重性表現(xiàn)在：精液在男人的精囊里，是安放在具有黏彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，精子可以吸取營(yíng)養(yǎng)，但是它的行動(dòng)是受到限制的，因人類(lèi)的繁殖需要精子積蓄力量，等到男人射出精液至女方陰道后、并精液液化后，方讓精子強(qiáng)烈地游動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其“兩萬(wàn)五千里的長(zhǎng)征”，達(dá)到卵細(xì)胞處，并鉆入卵細(xì)胞實(shí)現(xiàn)受精，需知參與這種“兩萬(wàn)五千里的長(zhǎng)征”的精子有上億個(gè)，只有其中第一個(gè)游動(dòng)冠軍實(shí)現(xiàn)自然選擇，鉆進(jìn)了卵細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了繁衍生育下一代的功能，而其他的精子都被卵細(xì)胞發(fā)出蛋白質(zhì)信號(hào)，通知他們均成為淘汰品。男人的射精的力作用，還觸動(dòng)了精液內(nèi)部的一系列蛋白酶的激活，將構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)體系的精液液體中的蛋白質(zhì)長(zhǎng)肽鏈結(jié)構(gòu)，剪切為小肽鏈或氨基酸，此時(shí)盡快地拆掉保護(hù)精子的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)體系，放精子們充分地出游，盡快游動(dòng)去尋找卵細(xì)胞實(shí)現(xiàn)受精。如果男人的精液在射精以前，在精囊里就已經(jīng)很稀薄，其精子已經(jīng)在精囊里自由活動(dòng)著，其能量以及能量的來(lái)源已經(jīng)消耗掉，射精后的“兩萬(wàn)五千里的長(zhǎng)征”就不能夠做到，如此就失去了生育能力；另一方面即使精液在精囊里也好、射出后也好都很厚，具有充分的黏彈性，如果沒(méi)有在約5 min實(shí)現(xiàn)液化，繼續(xù)保持具有網(wǎng)絡(luò)性的黏彈性體，那么精子也不能夠?qū)崿F(xiàn)其“兩萬(wàn)五千里的長(zhǎng)征”的游動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)受精的。滯后環(huán)技術(shù)妥善地揭示了人類(lèi)自生繁衍的力學(xué)條件，這種技術(shù)可以成為今后男性精液健康與否的標(biāo)志。這種精液的功能和行為是人類(lèi)和哺乳類(lèi)動(dòng)物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果。本工作受到當(dāng)時(shí)在上海博康生殖醫(yī)院工作的汪四七博士的合作與支持。

7 含羞草勻漿液滯后環(huán)

作者從事生物物理學(xué)教學(xué)時(shí)，課上當(dāng)論及什么是物質(zhì)的觸變性時(shí)說(shuō)，物質(zhì)在力的作用下發(fā)生了性質(zhì)的改變，這就是觸變性。學(xué)生們不能理解如此解釋觸變性的定義。作者再補(bǔ)充說(shuō)如同含羞草一樣，在小小的力的作用下，葉子就垂了下去；如果沒(méi)有力的作用，含羞草又恢復(fù)為原來(lái)樣子，這種因?yàn)榱Φ淖饔枚兓?，撤去力的作用又恢?fù)原樣的性質(zhì)，就是觸變性。如此解釋后學(xué)生們就理解了什么是觸變性。然而含羞草為什么會(huì)受力而動(dòng)，也在中國(guó)的科普著作“十萬(wàn)個(gè)為什么”中解釋為，含羞草受力以后其葉柄的背側(cè)滲透壓提高，而其腹側(cè)滲透壓下降所致。但作者退休以后，親自種了含羞草，用含羞草葉漿做其滯后環(huán)試驗(yàn)，其結(jié)果是與“十萬(wàn)個(gè)為什么”中的解釋是不同的。實(shí)驗(yàn)方法是將含羞草的葉子和葉柄用蒸餾水做成勻漿，采用美國(guó)Brookfield流變儀公司的電腦程序式DVⅡ型流變儀，切變率調(diào)節(jié)在0-1-0 s-1、0-2-0 s-1、0-4-0 s-1、0-6-0 s-1、0-10-0 s-1多種三角波，用該公司提供的軟件，在Windows下進(jìn)一步自己編制自動(dòng)采樣程序，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、切變率、時(shí)間、溫度的多維自動(dòng)采樣，以完成各種滯后環(huán)的測(cè)定。其中0-1-0 s-1的三角波作用下的滯后環(huán)如圖11，由于其他切變率三角波的圖像有雷同，本文就不再列出了[7]。

圖11 植物含羞草（A）、豬骨骼肌肉（B）、植物葉下珠（C）三種勻漿懸浮液（濃度均為壓實(shí)體積的15%）的滯后環(huán)的比較

圖12示在0-1-0 s-1三角波作用下三種勻漿液滯后環(huán)讀出的屈服應(yīng)力值的比較，可以看出只有含羞草勻漿液明顯產(chǎn)生屈服應(yīng)力值，而其他兩種不明顯。而且圖13示其屈服應(yīng)力值隨著三角波切變率的峰值程度增加而增加著，說(shuō)明含羞草勻漿液在如此三角波切變率條件下是屬于剪切硬化的流體。圖13橫坐標(biāo)為6種切變率三角波的類(lèi)型，如0-0.1-0示三角波由0 s-1逐步上升為0.1 s-1，然后又從0.1 s-1退回至0 s-1，其余即類(lèi)推。

圖12 在0-1-0 s-1三角波作用下三種勻漿液滯后環(huán)讀出的屈服應(yīng)力值的比較

圖13 含羞草在6種切變率三角波作用下讀出的屈服應(yīng)力值

8 有關(guān)問(wèn)題的討論

切變率范圍：本文研究滯后環(huán)，在血液用0-5-0 s-1的三角波，在精液為0-1-0 s-1三角波，含羞草勻漿液用的最低為0-0.1-0 s-1的三角波，最高用的0-4-0 s-1三角波，說(shuō)明樣品切變率不宜太高。茅福成作為上海市衛(wèi)生局的官方檢測(cè)血液流變學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)列出的數(shù)據(jù)[8]，有的廠(chǎng)商與醫(yī)院采用切變率有高達(dá)200 s-1。在如此高的程度，估計(jì)有的紅細(xì)胞已被切碎。本文滯后環(huán)試驗(yàn)沒(méi)有采用如此高的切變率，否則以上3種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)也好，觸變性也好，聚集性也好，是測(cè)不出來(lái)了的。對(duì)生物樣品而言，太高不僅測(cè)不出原有的流變學(xué)行為，而且損壞樣品原有性質(zhì)。流變學(xué)測(cè)定中，用什么切變率要看樣品，如工程學(xué)上的水泥與混凝土，用很高的切變率；但生物樣品，如用太高的切變率，恰恰起到相反的作用（而低切變率技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是流變學(xué)中更難的），本文的資料也有參考價(jià)值。

滯后環(huán)與屈服應(yīng)力具有明確的物理意義，對(duì)之能否測(cè)定也是對(duì)儀器與技術(shù)的一種評(píng)價(jià)，優(yōu)質(zhì)的流變儀可以測(cè)定。建議很多單位在用流變儀過(guò)程中，檢測(cè)樣品的滯后環(huán)與屈服應(yīng)力是否也可以，進(jìn)行這種嘗試是無(wú)害的。

不管是什么物質(zhì)，只要在力的作用下，有物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，即可以通過(guò)滯后環(huán)技術(shù)檢測(cè)出來(lái)，在此介紹給讀者參考，嘗試今后在醫(yī)學(xué)生物學(xué)中是否具有應(yīng)用價(jià)值。但其分子結(jié)構(gòu)水平上的變化，需要分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、蛋白質(zhì)或細(xì)胞骨架等技術(shù)加以配合，共同來(lái)確定。