生物超微弱发光研究进展

用光子统计的方法对黄瓜幼苗 、绿豆芽和大豆根瘤菌类 菌体所发光 子 的 统 计 结 果 表 明〔14〕 , 它 们 的 发 光 接 近 泊 松 分 布 ,而纯粹属于随机事件的化学发光偏离泊松分布很远 ,这 说明生物系统的发光不完全是纯化学激发造成的偶然事件 , 它们发射的光子彼此间存在着一定的关系 。但服从泊松分 布只是相干场的必要条件 ,而非必要充分条件 。当模很大 时 ,多模混沌场的光子数也趋向泊松分布 。
⑥生物光子具有非线性效应和高度的相干性〔14〕。 ⑦生物超微弱发光是生物固有的一种功能 ,它在细胞及 组织间起传递信息的作用〔15〕。
3 UPE 的可能机制
生物超微弱发光的可能机制目前有多种解释 ,可初步分 为两大类〔16〕。一种观点认为 UPE 是生物体内自发的 、随机 的化学发光 。这种观点是以光生物化学为基础 ,把引起光子 辐射的激发态的产生与生命体内的代谢联系起来 ,通常把这 种观点称为生物发光的“代谢发光”机制 。另一种观点则截 然不同 ,认为生物系统自发发射或光诱导发射的光子起源于 生物系统内的一种完全相干的电磁场 ,通常把这种观点称为 生物发光的“相干辐射”机制 。 3. 1 “代谢发光”机制
过程密切相关 。UPE 作为一项极其灵敏的生物指标 ,在医 学 、药理学 、农业 、环境科学和地震预报等领域具有广泛的应
用前景 。
10 - 15 ) ,光子数强度为 10～104 cm- 2 ·s - 1 ,生物进化程度越高 , 发光强度越大〔8〕。
②生物超微弱发光的光谱从红外到紫外呈准连续谱 ,且 波长随生物等级的升高而有一定的红移〔9〕。
关键词 :生物超微弱发光 ;生物光子 ;代谢发光 ;相干辐射 中图分类号 :Q63 文献标识码 :A 文章编号 :0253 - 2743( 2004) 04 - 0004 - 03
The progress of ultra weak photon emission from living systems
sion is an exciting area of research with potential future applications in biology ,medicine ,pharmacology ,environmental sciences and food technology.
综上 “, 代谢发光”机制和“相干辐射”机制都只能解释部 分超微弱发光现象 ,刘颂豪等〔19〕利用量子化学与物质相互作 用的时间量子理论研究了生物光子的全同粒子模型 ,对“代 谢发光”机制和“相干辐射”机制的统一性进行了有益的探 讨 。朱延彬等〔17〕应用光子计数分布的理论及生物系统超微 弱光子辐射的测试数据对生物光子场的辐射特性进行了研 究 ,提出生物光子场属于高斯场的观点 ,并认为它至少是由 两个独立的光子辐射迭加的结果 :其一是纯相干态的相干辐 射 ;另一则为混沌态的热光源辐射 。但是生命是一种极其复 杂的运动形式 ,每种生物都具有高度有序和复杂的结构 ,虽 然生物超微弱发光只是生物众多物理特性中的一个 ,但是它 与生物的有序性及许多重要特性及过程相关联 ,包含着大量 的生物学信息 ,产生机制非常复杂 ,目前人们对它的认识还 具有一定的局限性 ,仍需要在理论和实验两方面进行深入研 究。
“代谢发光”机制以光生物化学为基础 ,认为发光主要来 源于氧化还原等代谢反应 ,如脂肪酸氧化 、酚和醛的氧化 、 H2O2 的酶解 、醌的氧化裂解 、氨基酸的氧化等 。其中脂类自 由基在超微弱发光中的作用尤为重要 ,因为在生物膜的磷脂 中含有许多不饱和脂肪酸 ,它们在一定条件下可以按照自由 基锁链反应机制进行氧化反应 。锁链反应的特点是自由基 在与其它分子反应后并不消失 ,而是转化为另一种自由基 , 因此 ,脂类锁链氧化的过程包括在一自由基引导下 ,引发产 生一脂自由基 ,然后此自由基继续发展 ,并产生分支 ,从而产 生更多的脂自由基 。不饱和脂肪酸的氧化作用产生了过氧
生命体 ,小至细菌微生物 ,大到植物 、动物甚至人 ,都有 自发的超微弱发光 (Ultraweak Photon Emission ,简称 UPE) 。这 种光子辐射通 常 极 其 微 弱 , 一 般 只 有 几 到 几 千 个 光 子/ s· cm2 。目前的研究表明 ,UPE 与生物体的氧化代谢 、信息传 递 、光合作用 、细胞分裂 、癌变 、死亡及生长调控等基本生命
光 ,如细胞有丝分裂时产生的超微弱发光 ,其波长在 190～ 325nm 的紫外波段 ,与代谢发光的光谱范围 (450～700nm) 有 所不同 。
3. 2 “相干辐射”机制 以德国生物物理学家 Popp 为代表的小组从超微弱发光
的物理机制出发 ,研究了生物超微弱发光的光谱 、光学透射 性 、光子计数统计和光照诱导的延迟发光的衰减动力学以及
在把生物光子和激光的特性作了比较后 ,顾樵认为〔18〕生物系 统和激光器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 、泵浦源和谐振腔 。由光或代谢过程激发 的 DNA 分子的碱基所形成的激发体具有良好的激光物质特 性 。在生物系统中维持生物分子处于稳定非平衡态的能源 是新陈代谢中的生化能 ;生物细胞相当于一个小小的球状谐 振腔 ,球状腔内具有很高的光场 ,可以引发各种非线性效应 , 产生相干辐射 。
③生物超微弱发光强度与细胞的种类及其所处的代谢
阶段有关 。如正常细胞的延迟发光强度随细胞浓度的增加 而减少 ,而肿瘤细胞则相反〔10〕。
④外界因素对生物超微弱发光的影响很大 。如用不同 浓度盐溶液处理的红豆种子的光子强度明显不同〔11〕。
2 UPE 研究的简单回顾
1923 年 ,苏联科学家 Gurwitsch 等人完成了生物系统超微 弱发光的第一个实验〔1〕,这个实验显示 :一个处于快速细胞 分裂状态的葱头的根可以发射微弱的紫外光 ,并感应它附近 的另一个葱头根的细胞 ,使之跟着快速分裂 。这一发现被后 来的许多研究者所证实〔2〕。但由于当时的光检测器不够灵 敏 ,这个发现未被承认 。1954 年以 Colli 为首的意大利物理 小组对生物的弱光作了进一步的研究 ,他们将一些植物芽种 (例如小麦 、谷子 、菜豆等) 放在装有光电倍增管的仪器上 ,首 次证明了生物体确实具有弱光子辐射的本领 ,辐射波长为 390～690nm ,强度为几百个光子/ s·cm2〔3〕。他们还发现这些 芽种的光子辐射与其活体功能密切相关 。60 年代以后苏联 生理学家 对 生 物 系 统 的 超 微 弱 光 子 辐 射 进 行 了 全 面 的 研 究〔4 ,5〕,除了植物之外 ,他们还研究了一些动物组织的弱光子 辐射 ,例如青蛙的神经 、肌肉 ,老鼠的肝脏等 ,研究的样品多 达 90 余种 ,并开始转入应用 。70 年代中期以后 ,以 Popp 为 首的西德研究小组从实验和理论两方面对这一现象进行了 系统的研究〔6 ,7〕,他们强调指出这是自然界普遍存在的一种 现象 ,是生物体固有的一种功能 。80 年代以后 ,UPE 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 、亚细胞及分子水平深入 。与此同时 ,关于 UPE 的理论 、测 试仪器及其应用等研究也广为展开 。至此 ,以研究生物体辐 射的光子特性来研究生物自身的功能及特性的新学科分支 已经悄然产生 。
图 2 是超微弱发光图像探测系统结构简图〔21〕。该系统 由样品盒 、变焦物镜 、微通道板像增强器 、中继镜 、制冷 CCD 探测系统 、控制器 、计算机及打印机等部分组成 。光电探测 系统是以微通道板像增强器为核心的超高灵敏度成像系统 。 生物样品经变焦物镜成像在微通道板的光阴极上 ,光阴极的 光敏波长在 350～850nm 范围内 ,透过输入窗口到光阴极上 的光子由于光电效应转换成电子图像 ,电子透镜将电子图像 耦合到微通道板上 ,在微通道板内 ,电子经过加速并不断撞 击荧光屏 ,重新激发出光子图像 ,再经中继镜投射到制冷 CCD 的成像平面上 ,数据经制器采集到计算机里 ,配合信 号图像增益修正和背景噪声扣除等技术 ,由计算机对图像进 行显示并结合图像处理技术提高测量系统的成像质量 。
LI Shu - li ,ZHENG Xin - liang ,REN Zhao - yu ( Institute of Photonics & Photon - technology ,Northwest University ,Xi’an 710069 ,China)
Abstract :All living systems spontaneously emit low - intensity luminescence. Such biophoton emission is inherently associated with many fundamental pro2 cesses in biological systems and closely connected with many important biological functions. Examples from organisms and living systems show that biophoton emis2
迄今 ,人们对 UPE 研究的结果可归纳为如下几个方面 :
收稿日期 :2004 - 02 - 10
⑤“自由基”复合反应和 DNA 是超微弱发光的主要来源 。断 氧再给氧对萌发绿豆超弱发光的影响表明了超微弱发光强 度与活性氧自由基浓度正相关〔12〕。有实验表明 DNA 的构像 变化对生物光子的发射有影响〔13〕。
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《激光杂志》2004 年第 25 卷第 4 期 LASER JOURNAL (Vol. 25. No. 4. 2004)
生物超微弱发光研究进展
李淑丽 ,郑新亮 ,任兆玉
(西北大学光子所 ,西安 710069)
提要 :综述了自 1923 年以来的生物超微弱发光 (UPE) 研究进展 ,总结了 UPE 的主要检测方法 ,概括说明了 UPE 作为生命系统普遍存在的 一种现象 ,其研究不仅对生命科学领域具有重大的科学意义 ,在农业 、医学 、食品和环境科学等领域也具有广泛的应用价值 。同时展望了其未 来的研究方向 。