生物超弱发光研究

第7卷第3期激　光　生　物　学　报Vol.7　No.3 1998年9月ACTA　LA SER　BIOLOGY　SINICA Sep.1998
・专题综述・
生　物　超　弱　发　光　研　究
李韶山　朱延彬　刘颂豪
(华南师范大学激光生命科学研究所,广州510631)
摘　要　生物超弱发光是自然界普遍在的一种生命现象。

本文概述了近年来生物超弱发光研究的进展,探讨了生物超弱发光在医学和农业上应用的可能性,并提出了该领域有待深入研究的问题。

关键词　生物超弱发光　人体　血液　植物
Research on Ultra weak Bioluminescence
L i Shaoshan　Zhu Yanbin　L iu S onghao
(Institute o f L aser L ife Science,So uth China N o rmal U niv ersit y,Guangzhou510631)
Abstract　Ultra weak bioluminescence is a kind o f spontaneous phenom ena in nature.Recent ad-vances on ultra w eak biolum inescence research w er e summ arized in this paper.Possible applications of ultra w eak bioluminescence in m edical science and agr iculture w ere discussed.The future research directions w er e also po inted o ut in present paper.
Key words　Ultra weak bioluminescence　Hum an bo dy　Blood　Plant
任何有生命的物质都发射一种强度为10～104Photons/cm2.s的超弱光子流,其发射光谱覆从红外经可见到近紫外的很宽谱区(200～800 nm),称之为生物超弱发光(ultra w eak biolumi-nescence),亦被称为生物系统超弱光子辐射(ultra w eak photon em ission from biolog ical sy stem)。

生物超弱发光现象最早是由苏联科学家Gurw itsch于1923年在研究洋葱鳞茎根尖细胞分裂的机理时发现的。

迅速分裂的细胞产生紫外辐射,促进邻近另一洋葱鳞茎根尖的细胞分裂,当时称这种辐射为“有丝发生”(mitog enic)辐射。

由于生物超弱发光的强度极低,在相当长的时间内由于光电探测器的限制,生物超弱发光研究的进展不大。

直到光子计数技术的成熟应用,才在超弱发光的实验方面有了较大进展。

1955年意大利Colli等首次利用光电倍增管检测到小麦、菜豆、小扁豆和玉米的黄化幼苗有超弱发光现象,发光强度随发芽过程而增强,根的发光强度是茎和种子的10倍。

70年代以来,西德Popp为首的研究小组从实验和理论两方面对生物超弱发光现象进行了系统的研究,发现植物或动物的各种组织、器官都具有超弱发光现象,认为这是自然界普遍存在的、生物体固有的一种功能。

虽然生物超弱发光的产生机制没有被阐明,但可以肯定它不是通常的生物发光。

因为生物发光是由酶催化的氧化作用引起的,某些细菌、真菌、昆虫、鱼类等可以产生生物发光,但在高等动、植物中并不普遍。

而生物超弱发光则是一种普遍现象,而且生物等级越高,强度越大。

另外生物发光的强度比超弱发光高几个数量级。

可见生物超弱发光与生物发光不是一码事,相反生物发光倒可能是超弱发光触发的一个过程。

80年代末以来,随着光电子探测技术的快速发展,生物超弱发光研究越来越受到重视,并发展成为量子生物学发展前沿中的一个非常活跃的领域。

近年来,随着分子生物学的迅猛发展,生命科学研究取得了一系列的重大突破,但仍有许多基本问题还末得到阐明,如细胞分裂、细胞分化、细胞识别以及DN A复制、蛋白质合成的机制还不十分清楚。

生物超弱发光是伴随生命过程的一种
广东省自然科学基金资助项目。

收稿日期:1997—09—04
224激　光　生　物　学　报第7卷
特性,细胞内或细胞间的信息传递有可能是由生物超弱发光介导的。

所以有理由相信,生物超弱发光的研究对于生物学中许多基本问题的解决具有重要意义。

本文拟对生物超弱发光研究进展及若干应用研究作一综述。

1　自发和诱导的超弱发光
生物超弱发光通常包括两大部分:一种为自发的生物化学发光,和生物体的氧化代谢有关;另一种为外因诱导的发光,取决于光、电离辐射、超声、化学药物等外界因素的作用。

生物的细胞、组织和体液中,普遍存在着自发和诱发的超弱发光。

生物超弱发光可被光照处理诱导,这种光诱导的超弱发光比自发超弱发光强得多,且呈指数衰减,但对于不同的生物系统衰减速率不同。

我们以萌发的水权、绿豆为材料的实验也证实了光诱导超弱发光及其指数衰减现象的存在。

X射线、 射线等电离辐射,超声波以及代谢抑制剂等许多物理或化学因子对生物超弱发光都有影响。

2　生物超弱发光的物理机制
如何从物理学角度来分析生物界普遍存在的超弱发光现象?有人把生物系统与激光器进行比较,发现两者存在惊人的相似:二者都是非线性的、非平衡的开放系统,都具有产生相干辐射的激活物质、泵浦源及谐振腔。

生物体由大量细胞有机地组成的,而不是单个细胞的简单相加,因而属于非线性系统。

非线性系统的突出特征饱和效应在生命活动中比比皆是,如酶促反应速度、光合速率等。

构成生物体的细胞可以看作一个小小的谐振腔,它周围的细胞膜则相当于一个封闭的反射镜。

生物系统中维持生物分子稳定的非平衡态的能源来自生物氧化过程中产生的自由能即ATP,生物体不断地从外界吸收能量,才能保持这一开放系统的高度有序状态。

由以上分析可见,生物体与激光器一样具备产生相干辐射的基本条件。

不同的是,激光是实验室的相干辐射,而生物超弱发光则是生物体自发产生的相干辐射。

3　人体及血液的超弱发光与疾病诊断
人体不同部位体表超弱发光有很大差异,光照对体表超弱发光也有影响,且同样的光照在不同部位引起发光强度增加程度不同,避光后的衰减速度也不一样。

体表超弱发光的强度随体表温度的升高而增强。

有人根据自己的测量结果指出,青壮年发光强,少年、老年发光弱。

由此认为人体生命活动越强,发光也越强。

另外一些测量结果表明年龄越大,体表发光越强。

他们认为这体表超弱发光的主要来源是脂质过氧化过程,年龄越大,体内脂质过氧化过程越强,发光也越强。

在体表超弱发光的研究中,由于对发光机制理解不一样,实验结果也很不一致,甚至互相矛盾。

人体血液也存在着超弱发光现象。

血液是一种重要的体液,临床上通过化验血液的理化指标以协助诊断疾病。

近年来,血液的超弱发光作为一种灵敏、快速、简易的生物物理指标,越来越受到重视,并广泛开展了在医学和生物学诸领域的应用研究。

Popp等(1981)发现癌细胞与正常细胞的超弱发光有明显差别;马玉琴等(1990)的实验研究表明,血液的超弱发光强度与供血者的年龄、性别有关,癌症患者血液的超弱发光强度明显高于对照组,尤以肝、卵巢癌症患者显著。

这一结果意味着血液的超弱发光测量,有可能用于癌症的早期诊断。

同一份血液样品如果同时分别测量全血及血清部分的发光,几乎无一例外地血清的超弱发光都高于全血的发光水平。

这是因为血红蛋白是光子猝灭剂,当从全血中除去有形成分后,血清的发光强度会明显增加。

对于生物大分子在血浆超弱发光中的作用,已有研究证实,血浆超滤后其大分子浓缩部分的自发发光以及碱诱导发光强度都增加,而膜透过部分的自发发光和碱诱导发光强度则降低。

用10%ZnSO4沉淀蛋白质后的血浆制液,其发光强度下降。

这说明生物大分子,尤其是蛋白质在血浆超弱发光中起着重要作用。

借助血液的超弱发光强度变化,可以揭示疾病的发生或提供先兆,但它绝不是专一性指标。

尤其是在早期诊断癌症方面尚须大量工作,而目前的研究仍处于摸索阶段。

况且,各个实验室的报道结果也不完全一致,但是正常人和癌症患者在血液发光上存在差别,这一点是共同的。

4　植物的超弱发光及其在农业上的应用研究
植物的超弱发光现象亦普遍存在。

植物超弱发光与生物氧化、细胞分裂、光合作用等代谢或生理过程相关。

脂类通过脂氧合酶作用而进行的氧化过程可能在植物超弱发光中起重要作用。

已有
第3期李韶山等:生物超弱发光研究225
不少研究证实,活性氧是产生超弱发光的动力,细胞或组织在无氧条件下是不能产生或较少产生超弱发光的。

当植物处于各种逆境条件下,细胞或组织中的活性氧产生增多,而清除能力下降,导致植物超弱发光增强。

由于植物超弱发光的变化比各种生理生化指标的变化要快得多,因而可以根据农作物在各种逆境条件下超弱发光强度的变化,迅速判断出各品种的抗性,植物超弱发光对环境污染程度极为敏感,因此也可应用于环境科学。

5　生物超弱发光的二维图像
超高灵敏度的弱光图像探测是80年代末发展起来的一项高技术,目前只有少数发达国家将这种超高灵敏度的图像探测器应用于生物超弱发光的研究中。

90年代初国际上已有报道获得了植物叶片和萌发种子的超弱发光图像。

最近国内采用微通道板像增强研制出具有较高灵敏度的光电探测系统,光阴极灵敏度达0.5Photons/mm2・s。

利用该系统获得了绿豆芽光诱导超弱发光的二维图像,对图像的数据处理发现,绿豆幼叶的超弱发光强度高于子叶,下胚轴的超弱发光强度最低。

由于灵敏度的限制,该系统还不能探测到黑暗中保持一定时间(10分钟以上)的绿豆芽自发超弱发光图像。

6　展望
利用各种适宜的材料,如萌发种子、培养细胞、动物组织等,研究生物超弱发光的基本特性和规律,构成了跨学科基础理论研究的新领域。

生物超弱发光作为生命过程中一个极其灵敏的生物物理指标在医学、农业、及环境科学上的应用已初见端倪,但生物超弱发光研究中还有许多重要问题没有解决,其生物学机制仍需要进一步探索,脂质过氧化作用、自由基以及生物体内的代谢反应与生物超弱发光的关系还需要深入研究。

从量子光学的角度看,超弱发光的光子统计应该包含大量的生物学信息,如何通过超弱发光的光子统计测量获得有价值的生物学信息乃是一个重要的理论和实际问题。

研制超高灵敏度的二维光电探测系统,进行生物超弱发光的图像及不同部位强度分布的研究,并从细胞和分子水平进行显微光子计数成像探测,将有助于生物超弱发光生物学机制的阐明。

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