生物光子學與光子生物學

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1、朱延彬王孝力(華南師范大學激光生命科學研究所,廣州,510631)Kin2PingWang(美國加州州立大學Fresao分校自然科學學院)摘要:本文概述了生物光子學及光子生物學的發(fā)生、發(fā)展及未來發(fā)展趨勢。當前,一門新興學科——光子學(Photonics)已經(jīng)產(chǎn)生。國際上一些發(fā)達國家對光子學已給予了充分的重視并大力支持光子學及相關技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1,2。古老而又充滿發(fā)展活力的生命科學早在光子學產(chǎn)生的初期就和光子學相互交叉和滲透,促使兩門新的邊緣學科分支悄然崛起,即生物光子學和光子生物學。前者站在光子學的立場研究生物特性;后者立足于生物學角度來探討光子學的

2、應用。關鍵詞:光子學;光子生物學;生物分子學。BiophotonicsandPhotonbiologyZhuYanbinWangXiaoli(InstituteofLaserLifeScience,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou,WangKinping(CaliforniastateUniversity,Fresao,U.S.A.)510631)Abstract:Inthispaperanoverviewispresentedofunderstandingoftheoccurencede2velopmentan

3、ddevelopmentaltrendinthefutureonBiophotonicsandPhotonbiology.Keywords:photonics;photonbiology;biophotonics.1.生物光子學及其發(fā)展前景(1)生物光子學的產(chǎn)生生物光子學(Biophotonics)是本世紀八十年代初提出來的一門新興學科,它是基于生物系統(tǒng)的超微弱光子輻射(theultraweakphotonemissionfrombiologysystem,簡稱BPE)而產(chǎn)生的。自1923年前蘇聯(lián)科學家Gurwitsh等人第一次觀察到一個處于快速細胞分

4、裂狀態(tài)的蔥頭的根能發(fā)射微弱的紫外光開始3,之后的幾十年中,BPE的研究日趨成熟。50年代,意大利科學家Colli等人4也證明在小麥等植物芽中確實存在微弱的光子發(fā)射;60年代前蘇聯(lián)科學家除對植物之外還對動物組織如青蛙神經(jīng)、肌肉,老鼠的肝臟等的BPE進行了研究;70年代以后,西德的Popp等科學家對BPE進行的系統(tǒng)研究極有代表性,他們的研究結(jié)果強調(diào)指出BPE是自然界普遍存在的現(xiàn)象,是生物體固有的一種功能5;80年代以后,BPE的研究已在前蘇聯(lián)、美國、日本、歐洲以及我國展開,并已開始向細胞、亞細胞、分子水平深入6,7。與此同時,關于BPE的理論、測試儀器及其

5、應用等研究亦廣為開展。至此,生物光子(2)生物光子學的特點迄今為止,人們對BPE的認識已有以下幾點共識:①BPE是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象,是生物體固有的一種功能。它是在不同的生理、生化條件下生物體綜合信息的反映。除了極少數(shù)低級生物如某些原生生物和藻類外,大多數(shù)動植物均能產(chǎn)生BPE,其數(shù)量從幾個到幾千個光子?秒?厘米2。而且生物進化程度越高,BPE值越大。②BPE的光譜范圍從紫外、可見到紅外波段。生物的進化水平越高,輻射的波長越向紅外擴展。③BPE具有高度的相干性,具有泊松相干場的特征8。④BPE是生物體量子效率極低的低水平化學發(fā)光,不同于螢火蟲螢光素

6、——螢光素酶體系那樣高效率的生物發(fā)光9,10。(3)我國在生物光子學領域的研究成果在植物方面,生物光子有可能成為研究植物生理的一種強有力的手段。1988年,沈洵等11探測了綠豆、大鼠血液和3T3細胞的發(fā)光,并指出這些樣品的發(fā)光都含有一個光誘導的成分。同年,毛大璋等12又報導了A.D(actinomycinD)、EB(ethidiumbromide)、CHI(cy2cloheximide)及NaN3對萌發(fā)綠豆的自發(fā)性超弱發(fā)光強度的影響并提供了DNA分子和?或RNA合成代謝對超弱發(fā)光有貢獻的證據(jù)。1995年,陸治國等13測量了用He2Ne激光照射后的紅豆芽

7、的延遲發(fā)光。同年,陳汝民等14用激光輻照萌發(fā)蠶豆,觀察到在植物的生長、發(fā)育過程中生物光子數(shù)增加的結(jié)果,同時還觀察到生物光子的強度與活性氧成正相關的結(jié)果。人體體表的生物光子的差異及變化也反映了人體內(nèi)部的生理狀態(tài)。池旭生等對人體體表超弱光發(fā)射的測量表明,人體不同部位體表發(fā)光的強度是很不一致的,手指發(fā)光最強,掌心次之,然后是面頰、前額、小臂、上臂、胸腹等依次減弱15。羅金梅16也報道了人體體表的生物發(fā)光隨年齡的增加而增加,而且吸煙人的生物發(fā)光普遍高于同齡正常組。顧樵17曾報道利用生物光子鑒別癌癥腫瘤和炎癥,鑒別率達100%。人體的血液也存在超弱發(fā)光的現(xiàn)象。血

8、液是一種重要的體液,占人體總重量的8%,血液的超弱發(fā)光可以作為一種靈敏、快速、簡易的生物物理指