1995 激光与生命现象

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1、激光与生命现象习岗（西北农业大学基础部，陕西杨陵712100）摘要生命系统存在着一大类受激相干辐射．它们41在生命活动中可能起着重要的作用．本文简要说明了激光器与生命系统的相似性，介绍了现已发现的生命系统的受激相干辐射现象，指出了它们在生命活动中的意义。关键词相干辐射；生命系统分类号Q631；TN24941早在本世纪40年代，Schrodingerr就认为“生命靠食负熵而生存”，这就是说，细胞在新陈代谢过程中吸收的能量是以相干形式储存起来的．60年代末，Frohlich明确提出了用激光相干性原理解释生命现象

2、的观点．70年代以后，Popp等人根据一系列实验的分析指出，生命系统具有发射受激相干辐射的本领，每个活体细胞类似于一种激光器．如果这些论断正确，就将为探讨生命本质提供—种新的观念和方法。几十年的研究表明，激光器与生命系统在结构上有许多相似之处，生物体中广泛存在着一大类受激相干辐射现象，这种相干辐射在生命活动中可能起着重要的作用．这样一来，从激光器的结构和辐射两个方面研究生命现象就成为物理学家和生物学家共同感兴趣的课题．本文简要介绍这方面的情况．1激光器与生命系统的相似性激光器作为一个从无序到有序的典型已由H

3、aken在协同学中作过广泛的论述．就其有序性而言，激光器与生命系统在许多方面是相似的、从激光物理的角度来看，激光器与生命系统产生有序性的原因在于两者都是非线性、非平衡的开放系统．1．1非线性系统激光器的工作物质是由大量偶极子组成，而生命系统是由大量细胞组成，每一个细胞又是一个由带电生物分子构成的极其复杂的带电体系．它们的宏观性质都不能由于系统(偶极子或生物分子)的简单相加而得到，这是因为于系统之间存在着复杂的相互作用．这些相互作用的特征是非线性．激光器作为一个非线性系统的突出特征是存在饱和效应、激光器的增益

4、系数表达式为其中，Ij和I分别为人射光强和饱和光强，G0为小信号增益系数．而细胞体系的酶反应也存在饱和效应，描述酶反应速率的Michaelis-Menten方程与上述的激光增益方程非常相似。细胞内酶作用的非线性特征正是生命系统复杂的非线性相互作用的本质．1．2开放系统激光器之所以能够实现连续的激光输出，是因为它不断地从泵浦中吸收能量，即它是一个开放系统．生命体也是典型的开放系统，它一刻也离不开与外界的物质和能量的交换．Schrodinger提出的”生命靠食负熵而生存”的观点就说明了生命体熵的减少是以从外界吸

5、收物质和能量为代价的。1．3非平衡系统开放性导致激光器处于非平衡状态．从量子力学的观点来看，非平衡态的含义是指系统处于高能状态而实现了粒子数的反转分布．生命系统的开放性使生命体处于高能低熵状态，高能低熵的微观物理图象就是指构成生命体的生物分子实现了粒子数反转分布[1]．因此，有人提出了生命体不处于物理学的基态，生物分子所凝聚的量子态应是某个激发态的观点。1．4泵浦系统激光介质实现粒子数反转分布是以外界不断的能量输入为代价的，不同种类的激光器有不同的泵浦系统．生命系统则可以通过新陈代谢产生的化学能或直接从外界

6、吸收光能(光合作用)来实现生物分子的粒子数反转分布。411．5关于亚稳态能级在激光器中，对激光介质的要求是其存在亚稳态能级、在生命系统中，亚稳态能级是广泛存在的．从结构上讲，与活体机能有关的生物分子几乎那是由共轭体系构成的，共轭体系的跃迁是π→π×跃迁。由于电子自旋耦合作用．共轭体系激发态的构型一般有单态和三重态两种，而且三重态能量低于单态．又由于三重态的寿命远大于单态，因此，三重态就可能构成生物分干的亚稳态．在荧光实验中已经发现了DNA分子的碱基由于堆垒相互作用只有激发态存在的现象，这种在代谢供能下形成的

7、能级反转分布与在泵浦下激光介质的反转分布是极其相似的。1.6关于生物共振腔从激光的实验物理角度来看生命系统，最令人费解的是共振腔问题。众所周知，产生激光的最简单的共振腔是由两块平面镜构成的Fabry—Perot腔．放在腔中的介质由于泵浦作用产生粒子数反转，最初产生的自发光子在腔中受到选择．最终可获得稳定的相干光输出。如何想象在伸缩性和卷曲性都很大的生物分子或细胞中可以满足这种精密光学所要求的苛刻条件呢?Popp等人认为，DNA分子本身就是一个小小的共振腔，这个分子的碱基对三重态与单态的反转分布构成了激光介质

8、的反转分布[2]。也有人认为，细胞质膜具有共振腔的功能。事实上，解决成腔问题使用平面镜系统并不是唯一的办法．有序结构(如晶格)的Bragg散射等都可代替平面镜系统解决成腔问题．由于生物膜具有液晶的特点，因此，生物膜的光学性质很可能是生命系统成腔问题的关链。综上所述，从激光物理的角度来看．活体细胞在许多方面具有激光器的特点。据此可以设想，在代谢产生的化学能和外界光照作用下。某些活体生物分子凝聚在某个激发态上，造成了