生物光子学与光子生物学

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1、朱延彬王孝力(华南师范大学激光生命科学研究所,广州,510631)Kin2PingWang(美国加州州立大学Fresao分校自然科学学院)摘要:本文概述了生物光子学及光子生物学的发生、发展及未来发展趋势。当前,一门新兴学科——光子学(Photonics)已经产生。国际上一些发达国家对光子学已给予了充分的重视并大力支持光子学及相关技术和产业的发展1,2。古老而又充满发展活力的生命科学早在光子学产生的初期就和光子学相互交叉和渗透,促使两门新的边缘学科分支悄然崛起,即生物光子学和光子生物学。前者站在光子学的立场研究生物特性;后者立足于生物学角度来探讨光子学的

2、应用。关键词:光子学;光子生物学;生物分子学。BiophotonicsandPhotonbiologyZhuYanbinWangXiaoli(InstituteofLaserLifeScience,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou,WangKinping(CaliforniastateUniversity,Fresao,U.S.A.)510631)Abstract:Inthispaperanoverviewispresentedofunderstandingoftheoccurencede2velopmentan

3、ddevelopmentaltrendinthefutureonBiophotonicsandPhotonbiology.Keywords:photonics;photonbiology;biophotonics.1.生物光子学及其发展前景(1)生物光子学的产生生物光子学(Biophotonics)是本世纪八十年代初提出来的一门新兴学科,它是基于生物系统的超微弱光子辐射(theultraweakphotonemissionfrombiologysystem,简称BPE)而产生的。自1923年前苏联科学家Gurwitsh等人第一次观察到一个处于快速细胞分

4、裂状态的葱头的根能发射微弱的紫外光开始3,之后的几十年中,BPE的研究日趋成熟。50年代,意大利科学家Colli等人4也证明在小麦等植物芽中确实存在微弱的光子发射;60年代前苏联科学家除对植物之外还对动物组织如青蛙神经、肌肉,老鼠的肝脏等的BPE进行了研究;70年代以后,西德的Popp等科学家对BPE进行的系统研究极有代表性,他们的研究结果强调指出BPE是自然界普遍存在的现象,是生物体固有的一种功能5;80年代以后,BPE的研究已在前苏联、美国、日本、欧洲以及我国展开,并已开始向细胞、亚细胞、分子水平深入6,7。与此同时,关于BPE的理论、测试仪器及其

5、应用等研究亦广为开展。至此,生物光子(2)生物光子学的特点迄今为止,人们对BPE的认识已有以下几点共识:①BPE是自然界普遍存在的一种现象,是生物体固有的一种功能。它是在不同的生理、生化条件下生物体综合信息的反映。除了极少数低级生物如某些原生生物和藻类外,大多数动植物均能产生BPE,其数量从几个到几千个光子ƒ秒ƒ厘米2。而且生物进化程度越高,BPE值越大。②BPE的光谱范围从紫外、可见到红外波段。生物的进化水平越高,辐射的波长越向红外扩展。③BPE具有高度的相干性,具有泊松相干场的特征8。④BPE是生物体量子效率极低的低水平化学发光,不同于萤火虫萤光素

6、——萤光素酶体系那样高效率的生物发光9,10。(3)我国在生物光子学领域的研究成果在植物方面,生物光子有可能成为研究植物生理的一种强有力的手段。1988年,沈洵等11探测了绿豆、大鼠血液和3T3细胞的发光,并指出这些样品的发光都含有一个光诱导的成分。同年,毛大璋等12又报导了A.D(actinomycinD)、EB(ethidiumbromide)、CHI(cy2cloheximide)及NaN3对萌发绿豆的自发性超弱发光强度的影响并提供了DNA分子和ƒ或RNA合成代谢对超弱发光有贡献的证据。1995年,陆治国等13测量了用He2Ne激光照射后的红豆芽

7、的延迟发光。同年,陈汝民等14用激光辐照萌发蚕豆,观察到在植物的生长、发育过程中生物光子数增加的结果,同时还观察到生物光子的强度与活性氧成正相关的结果。人体体表的生物光子的差异及变化也反映了人体内部的生理状态。池旭生等对人体体表超弱光发射的测量表明,人体不同部位体表发光的强度是很不一致的,手指发光最强,掌心次之,然后是面颊、前额、小臂、上臂、胸腹等依次减弱15。罗金梅16也报道了人体体表的生物发光随年龄的增加而增加,而且吸烟人的生物发光普遍高于同龄正常组。顾樵17曾报道利用生物光子鉴别癌症肿瘤和炎症,鉴别率达100%。人体的血液也存在超弱发光的现象。血

8、液是一种重要的体液,占人体总重量的8%,血液的超弱发光可以作为一种灵敏、快速、简易的生物物理指