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)K in2P ing W ang(美国加州州立大学 F re sao 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 (P ho to n ic s) 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

2、讨光子学的应用。关键词: 光子学; 光子生物学; 生物分子学。B iopho ton ic s an d Pho ton b io logyZh u Y an b in W an g X iao li( I n s t itu te of L a se r L if e S c ien ce, S ou th C h in a N orm a l U n iv e rs ity , G u a n g z h ou , W an g K inp in g(C a l if orn ia s ta te U n iv e rs ity , F resa o, U. S. A . )510631)

3、A bstra c t: In th is p ap e r an o ve rv iew is p re sen ted o f u n de r stan d in g o f th e o ccu ren ce de2ve lopm en t an d deve lopm en ta l t ren d in th e fu tu re o n B iop ho to n ic s an d P ho to n b io lo gy.Key word s: p ho to n ic s; p ho to n b io lo gy; b iop ho to n ic s.1. 生物光子学及

4、其发展前景(1) 生物光子学的产生生物光子学 (B iop ho to n ic s) 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 ( th e u lt raw eak p ho to n em issio n f rom b io lo gy sy stem , 简称B P E ) 而 产生的。 自 1923 年前苏联科学家 Gu rw it sh 等人第一次观察到一个处于快速细胞分裂状态 的葱头的根能发射微弱的紫外光开始3 , 之后的几十年中, B P E 的研究日趋成熟。 50 年代, 意大利科学家 Co lli 等人4 也证明在小麦等植物芽中确实存在

5、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B P E 进行了研 究; 70 年代以后, 西德的 Popp 等科学家对B P E 进行的系统研究极有代表性, 他们的研究结 果强调指出B P E 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, B P E 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B P E 的理论、测试仪器及其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B P E 的认识已有以下几点共识:

6、B P E 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B P E , 其数量从几个到几千个光子秒厘米2。而且生物进化程度越高, B P E值越大。B P E 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。B P E 具有高度的相干性, 具有泊松相干场的特征8 。B P E 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

7、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 3T 3 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 (ac t inom yc in D )、EB (e th id ium b rom ide)、CH I(cy2c lo h ex im ide) 及N aN 3 对萌发绿豆的自发性超弱发光强度的影响并提供了DN A分子和或RN A 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 H e2N e 激光照射后的红豆芽的延迟发光。 同年, 陈汝民等14 用激光辐照萌发蚕豆

8、, 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。 血液是一种重要的体液, 占人体总重量的 8% ,

9、 血液的超弱发光可以作为一种灵敏、快 速、简易的生物物理指标, 对血液发出的生物光子进行测量和分析可以揭示疾病的发生或者 提供先兆。 胡天喜18 利用不同病人血清的生物光子的变化可以进行肿瘤诊断, 胰腺炎的诊 断以及检测病人对药物的变态反应等。 马玉琴等19 通过对人体血液的超弱发光测量, 可以 进行癌症患者的早期诊断。 另外, 陈有君等20 还研究了血浆超弱发光中生物大分子所起的 作用, 进而探讨了人体血液超弱发光的机制。(4) 生物光子学的发展趋向B P E 的研究至今仍然是很初步的。 未来的生物光子学的研究重点将会在以下几个方 面。生物光子的产生机制是当前光子生物学最基本的研究课题。 首

10、先, B P E 不是偶然的 化学发光, 因为它的一些特性并非化学发光理论所能解释。 例如, 细胞死亡之前生物光子强纵观B P E 的实验数据, 基本上均是在 200- 700nm 光谱范围的测试结果。 本文作者和美国一些科学家研讨及此情况时推断为受红外波段缺乏高灵敏度的探测手段所限。 因此 把B P E 的测试技术从可见、紫外波段扩展到红外波段是很有意义的科研工作。 它将揭示更宽光谱范围的B P E 特征及规律。把B P E 的研究深入到细胞, 亚细胞甚至是分子水平是重要的研究方向。研究、设计B P E 的图像系统, 实现B P E 直接观察, 对于研究B P E 的动态特性具有重 要的意义

11、。加强B P E 研究结果的应用、开发, 使之在医学、药理学、农业、环境科学、食品科学等 工业领域中获得应用, 回过头来又会促进生物光子学的研究及发展。2. 光子生物学及其发展前景(1) 光子生物学的定义光子生物学 (P ho to n b io lo gy) 是研究生物体系或其某些组成部分吸收光能后开始的一 系列的分子事件, 它是研究光和生命系统的关系, 光和生物体的相互作用, 光对生物体刺激作用以及光对生物系统结构和形态影响等的一系列基本问题的边缘学科。 有人把本文定义 的“光子生物学”称为“生物光子学”, 本文作者认为还是称为“光子生物学”为贴切, 也和目前 的“激光生物光”、“激光医学

12、”等内涵相对应。(2) 光子生物学的研究范围光子生物学的研究范围相当广泛, 根据光和生物体之间的相互关系大致可分为以下四 个部分。正常的光生物过程。 它包含很多分支。 如植物的光合作用; 人眼的视觉响应; 受光调 节的生长、发育和分化的光形态建成反应; 光周期以及光运动等。光对生物的刺激或损伤的研究。按作用光的波长有紫外和可见两种。八十年代以来,由于致大气臭氧层破坏的工业化含氯氟化烃化合物 (C FC S) 大量排入大气层, 致使大气层臭 氧层遭到破坏而变得越来越薄甚至出现臭氧层的空洞。 这样从太阳辐射到达地球表面的紫外线增加, 其中对人和一些生物影响最大的是波长 290- 320nm 的紫外

13、光。因而研究紫外增 加后对生物及人体的影响以及开发抗紫外辐射的新作物品种, 提高人体的抗辐射能力已成为当今光子生物学研究的热点。与光有关的重要生物学过程。 如光动力作用, 光敏化作用和光复合作用。光子技术在生物学中的应用。随着对光子生物学研究的进一步深入, 光子生物学的研究重心也在悄悄变化。 前不久, L au r in 出版公司计划在 1995 年发行一种有关反映这个领域研究成果的新杂志, 预测这个 领域的未来研究内容将为下述八个方面21 。光子动力学治疗; 激光和生物组织的相互作用; 无透镜显微术; 在血液化学分析中的进展; 癌症的光学显示; 利用激光检测DN A ; 对人体伤 害最小的光

14、子设备; 一体化的激光和成像系统。(3) 光子生物学的应用及发展趋势光子生物学乃是偏重于光子技术在生物学、医学领域的应用研究的一门新的边缘学科。已培育出小麦、水稻、棉花、大豆、油菜、豆角、蕃茄、桃、桑树、家蚕、微生物等 40 多个新品种,且在农业生产中得到应用22 。激光微束技术。 即利用激光微束将外源基因导入植物细胞和动物细胞培育转基因植 物和转基因动物。1984 年, 日本科学家 T su k ako sh i 等人23 首次利用激光微束将外源DN A 导入植物细胞之后有关激光微束的应用开展了很多工作。 1988 年 G. W eb e r24 又成功地将 外源DN A 导入植物组织。19

15、91 年, 沈子威等25 成功地将 2半乳糖苷酶基因 (GU S 基因) 导 入烟草花粉细胞中并得到瞬间表达。 1993 年, 王兰凤等26 人又利用微束技术将外源基因导 入小麦幼胚并获得转基因植物, 被认为是世界首例。1995 年, 美国贝克曼激光研究所也报道 了成功地将外源基因转入水稻而培育成工程植株的研究。利用激光微束诱导细胞融合。1987 年 R o sem a r ie W iegan d 27 成功地利用激光微束将 植物原生质体以及哺乳动物细胞融合。1990 年张闻迪28 也利用激光微束诱导不同鱼的卵细 胞融合得到成活的幼鱼。 1992 年卜宗式等人29 用激光微束诱导金盏菊原生质

16、体融合, 获得 初步成功。利用激光微束对细胞染色体施行切割从而应用于基因工程、基因定位以及染色体片 断的微克隆等30 。激光捕捉粒子技术(O p t ica l t rap )。这种有人称之为“光钳”的新技术已成功地捕捉了 包括病毒、细菌、酵母细胞和红血球细胞等在内的各种显微镜下可见的生物体, 将在生物学 研究中发挥重要的作用31, 32 。激光流式细胞计 (FCM )。 把细胞排列成行使其依次、恒速地通过激光束以快速地测量细胞内DN A 、RN A 和蛋白质含量等的这种新技术不仅在细胞生物学而且在放射生物学、肿瘤学中都有着广泛的应用价值。光子诊断技术。人体组织中的色素体存在吸收作用, 皮肤的

17、反射现象均可作为光学诊 断依据。 利用后向散射成像诊断可形成空间和时间分辨的高清晰度光 C T。激光共聚焦扫描显微术 (L C SM )。它把传统的显微镜分辨率提高了近一个量级, 不仅 能够进行光学断层分析获取生物样品的三维图像, 还能分析细胞内的生化成分和离子浓度,从而成为生物学研究的新技术及新手段33 。激光DN A 测序仪。世人嘱目的人类基因组计划的主要工作量是近三十亿人类DN A的碱基序列的测定。 现有传统方法的测序速度至少需要十五年的时间才能完成如此大量的工作。 一种新型的利用高效毛细管电泳的激光DN A 测序仪即将诞生, 它将把DN A测序的速度提高近 25 倍。 它的基本原理是,

18、 首先用四种不同发光波长的荧光染料 ( FAM 、JO E、RO X 和 TAM RA ) 标记引物, 然后按桑格 (San ge r) 所创的双脱氧链式终止法, 在被测 DN A模板上通过DN A 聚合酶工作链式延伸, 以合成产生一套长短不等的片断, 并经四个光电倍 增管检测, 获得与每个片断的迁移时间所对应的不同颜色的样品峰。根据获得的这些峰的先后顺序和每个峰的颜色, 就可直接读出待测DN A 的碱基序列。 采用 48 根毛细管阵列作激 光测序的商品化高效毛细管电泳仪可望在近期研究成功投入使用34, 35 。参考文献王玉堂, 光电子激光, 1995, 6 (3) : 1292133.李景镇

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