低能重离子生物学研究进展

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1、低能重离子生物学研究进展袁成凌余增亮（中国科学院等离子体物理研究所离子束生物工程学重点实验室合肥230031)摘要相对于高能离子，低能离子与物质相互作用较少受到人们的关注，低能离子与生物体相互作用的研究则更少。离子注入生物效应的发现开拓了低能离子束技术在生物学中应用的新领域，形成了一个新的交叉学科——低能重离子生物学。本文介绍了这门新学科的基础和应用研究进展与展望。关键词低能重离子生物学，离子束，育种技术，辐射中图分类号Q691，TL99，S335.2+l1927年，Hermann发现X射线对果蝇的诱变作用［l］，标志着辐射生物学的问世。60年代，随着分子生物学的起步，人们对DNA、基因组和生

2、物膜的结构与功能的了解日益深入，为研究细胞和靶分子的辐射损伤与修复提供了有利的条件。DNA重组、基因探针、核苷酸、氨基酸顺序分析等现代技术的广泛应用，促进了辐射生物学的飞速发展。生命物质的离子辐照效应，一直是辐射生物学研究的重要内容。但长期以来，人们对离子辐照的研究仅限于高能离子。而低能离子由于能量较低，在物质中作用深度有限，多数辐射生物学家认为它与生物体的作用不可能产生生物学效应，因而忽视了对它的研究。20世纪80年代初期，正当离子注入金属、半导体等材料进行表面改性、掺杂等研究开展得如火如荼之际，文献［2］另辟蹊径，率先尝试将离子注入技术用于农作物品种的改良，于1986年首次发现离子注入水稻

3、生物效应，并在几个水稻品种上，通过离子注入诱变获得了损伤低、突变率高、突变谱广的统计结果。经过十多年的探索，这一研究已发展成为重离子生物学的一个新阶段［3］，“孕育着新的边缘学科、交叉学科和新技术”[4],“形成了辐射生物学一个新的领域—低能重离子生物学，引起国内外的关注”[5,6]。美国、日本、英国、澳大利亚和泰国等国也开展了这方面的研究，日本还将离子束生物技术列为其“人类前沿科学计划”，作为优先发展的高科技项目，并将成为21世纪生命科学研究的支撑技术之一［7］。低能重离子是指能量在10—100keV之间的原子序数大于氦的剥离原子核，其在生命科学领域的应用即诞生了低能重离子生物学。加速后的重

4、离子具有一定的静止质量，注入的离子束有刻蚀作用。同时，还具有高线性能量转移（LET）和尖锐的Bragg峰。不同的质量数、电荷数和能量又可根据需要进行组合，这种离子注入生物体后，质、能、电的联合作用比核辐射对生物体的作用内容更为丰富，它将会对生物细胞乃至生物大分子的生理、生化功能产生重大影响。低能重离子与生物体系相互作用是一个复杂的过程。从离子注入那一时刻起到终点生物学效应，作用时间跨越10－19—10９S［８］，经历物理、化学、生化和生物学阶段；作用空间从微观生物分子损伤到宏观性状的表现，其效应不知放大了多少倍。要弄清这样宽广的时空域内发生的全过程，将是一个困难的课题。近年来，科技工作者们从原

5、初物理化学过程和生物学终点效应两方面开展了深入的研究，在基础研究和应用研究上均取得了较大的进展。1低能重离子生物学的基础研究进展低能离子辐射生物效应具有损伤轻、突变谱广、突变率高和突变具有重复性等特点，这与低能离子和生物物质作用的机理是分不开的。研究低能离子与生物体系相互作用的机理是为了更好地理解低能离子辐射生物效应，其研究反过来又必将促进了低能离子生物学的深入发展。1.1低能重离子生物学的物理化学基础研究20世纪90年代，余增亮陆续发表一系列论著，阐述了低能离子与生物体作用时的能量沉积、质量沉积、动量交换和电荷交换等四因子效应［9］，指出能量、质量、动量和电荷四种作用既产生各自的生物学效应，

6、又具有联合作用的生物学效应。在复杂的原初物理化学过程研究中，为了简化模型，研究了注入离子与有机分子相互作用，初步验证了能量沉积、质量沉积和电荷转移效应。文献[10]、[11]研究了离子注入5´-dTMP的实验表明，注入的低能离子首先引起碱基的释放，然后是脱氧核糖受损释放无机磷，且释磷量与总磷量的物质量百分比在低剂量时与注入剂量呈非线性关系，在较高剂量时呈线性关系。而释放碱基的浓度随离子注入剂量的增加达一饱和值后有下降趋势。文献［12］用N＋注入不含氮的α-萘乙酸，形成氨基化合物和偶氮化合物，直接证实了质量沉积效应的存在。最典型的例子是氮离子注入不含氮元素的乙酸钠生成甘氨酸钠，不仅直接证明了氮离

7、子的沉积作用，而且由此引出了新的课题，即低能离子在星际分子形成和生命化学起源中的作用问题［13］。离子注入时的能量沉积是人们了解得比较多的一个方面。一般认为，能量在几十至数百keV的低能离子的射程仅在亚微米量极。文献[14]用卢瑟福背散射法测得100keV铁离子在麦胚中的射程为251.7nm。文献［15］测得180keV氮离子在小麦的射程为320.5nm。如此短的射程如何引起几个到几十个µm微米深