光生物医学BP_chapter3

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相干理论的提出
฀ 态 的布居几率不服从玻尔兹曼分布) ฀ ฀ ฀ 光子发射有非线性效应 延迟发光按双曲线规律衰减 光子计数统计接近于泊松分布
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光子发射大体上不依赖于波长(其相应激发
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实验一： 实验一：生物系统内存在受激辐射的条件
活性氧的性质
฀ 活性氧：是指机体内由氧形成，含氧而且性质活泼 的 一些物质的总称。 ฀ 最主要的两种活性氧自由基：超氧阴离子自由基 （O2)和羟自由基（OH); ฀ 一种是激发态的氧分子，即单线态氧分子（1O2）； ฀ 两种过氧化物：过氧化氢（H2O2)和过氧化脂质 （ROOH). ฀ 生物体系中，电子转移是一项最基本的变化，而氧 就 是一个最重要的电子受体； ฀ 活性氧的性质非常活泼，具有极强的氧化能力，其 19 中
฀ ฀ ฀
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生物系统的超微弱发光
生物超微弱发光是一种极其微弱的准连续 光子辐射现象
฀ ฀ ฀ 发光强度：1~102/s.cm2 量子效率：10-14~10-9 光谱范围：180~800nm
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特点
฀
฀ ฀ 峰 ฀ 界
普遍性，所有被测样品中均有 发光强度弱，每秒发光强度仅为10-7瓦 光谱状态为一种连续分布，无明显特征 源于生物分子的跃迁，反应了自体或外
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PE纵深发展 纵深发展
超弱光子发射——简称PE ฀ 细胞、亚细胞甚至分子水平 细胞、 ฀ 发光光源
自由基复合反应 DNA是生物超微弱发光的一个辐射源
฀
理论研究
自由基理论的发展，促进代谢发光理论的发展 PE实验表现的相干性，促进相干理论的发展
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“代谢发光”机制 代谢发光”
฀ 代谢发光机制以光生物化学为基础，把生物 代谢发光机制以光生物化学为基础， 光生物化学为基础 超微弱发光与有机体内的代谢过程联系起来， 代谢过程联系起来 超微弱发光与有机体内的代谢过程联系起来，认 为这种发光主要来源于氧化还原等代谢反应。 氧化还原等代谢反应 为这种发光主要来源于氧化还原等代谢反应。 细胞代谢过程离不开氧 ฀ 细胞代谢过程离不开氧，生物氧化过程是细 胞获得能量的过程， 胞获得能量的过程，但是同时也产生了一些高活 性的化合物——自由基。 自由基。 性的化合物 自由基 这些过氧化自由基在复合反应的过程中， ฀ 这些过氧化自由基在复合反应的过程中，生 成单线态氧或激发态羰基，它们退激 退激回到基态则 成单线态氧或激发态羰基，它们退激回到基态则 辐射出光子。 辐射出光子。
生物体具备产生相干辐射的基本条件
PE的激活物质 激光器激活物质在生物体中的对应物可以 是三磷酸腺苷分子（ATP） 泵浦源 使之实现粒子反转的泵浦源能量则是来自 激糖原的酵解 生物体中的“谐振腔” ——DNA “ ”
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生物系统与激光器的相似之处
฀ 概括的讲，二者都是非线性的非平衡
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生物系统的发光现象
从生物体辐射出光的现象：
฀ 由生物体内特别体系发出的功能化学发光； 与代谢或破坏过程相联系的超微弱发光； 受辐射诱导的光诱导发光----诱导荧光。
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生物系统的超弱发光
฀
概述 生物系统超弱发光的理论研究 生物系统超弱发光检测技术 生物系统超弱发光重要应用
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三种活性氧
฀ 由于得到的电子数目不同，氧可以转化成 三种活性氧：
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单线态氧与三线态氧
฀ 单线态氧（1O2):外层两 个电子集中到一个轨 道；而且自旋方向相 反，自旋多重性为一； 高能量；不稳定的激发 态。 ฀ 三线态氧（ 3O2）：基 态氧分子，外层两个电 子各占一个轨道；可以 吸收能量。
฀
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“代谢发光”机制的不足 代谢发光”
฀ “代谢发光”机制不能完全解释生物系统的
超微弱发光，如细胞分裂时产生的超微弱 发光。也无法解释动植物生长时所表现的 方向性。
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相干辐射机制的定义
฀ 相干辐射机制认为：一部分自发的和光诱 导的生物超微弱发光的光子，即“生物光 子” ，起源于生物系统内一个高度相干的 电磁场，这种相干电磁场很可能是活组织 内通讯联络的基础。这就是生物光子的 “相干辐射”机制(又称“相干理论”)。
代谢发光的实验证据之三
抗氧化剂和发光的淬灭剂 ฀ 磷脂、类胡萝卜素、生育酚等一类拟脂类物 质，是脂质氧化的抗氧化剂，它们能抑制脂质 过氧化，也抑制血清的超微弱发光
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“代谢发光”机制的总结 代谢发光”
代谢发光机制包括了活性氧生成与控制两个方 面。能较好地解释自由基引起的超微弱发光的可 能性。自然界中有活性氧自由基的地方，就会有 超微弱发光，而活性氧自由基在有生命体中是无 所不在的。 ฀ 从生化的角度来看，这种发光并无显著的光强 特 异性，无论正常或病理状态下的生物都能辐射光 子，但在病理状态下，特别是一些需活性氧自由 基参与的病理反应，在强度上表现为发光的增 强。这无论在动物中、还是在植物中都可得到支 持和证据。
电子泄漏， 有的“能力学缺陷”引起了偶发的电子泄漏 有的“能力学缺陷”引起了偶发的电子泄漏， 进而产生氧化自由基和脂质过氧化反应， 进而产生氧化自由基和脂质过氧化反应，反 应中的激发态分子退激发光。 应中的激发态分子退激发光。这一理论亦 退激发光 称非完美理论(imperfection theory)。 称非完美理论 。
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生物超微弱发光证实
฀ ฀ ฀ ฀ 发光来自幼苗本身 发光强度与年龄有关：14~17日发光最强 发光强度与pH值相关， pH ＝7.5发光最强 发光强度在切碎时比全株强2~3倍
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生物超微弱发光研究发展
฀ ฀ ฀ ฀ ฀ 60年代--研究领域的多样化 从植物转到动物 生物超微弱发光的能量来自化学反应 普通生物发光与生物超微弱发光的不同 受激发tonics
“相干辐射”机制的不足 相干辐射”
฀ 这个理论将生物系统与相干电磁场相联系，
是一个大胆的设想。有相当比例的发光实验无法 用这个理论进行解释。
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两种机制的比较
฀ 代谢机制包含了活性氧生成与控制两个方 面，能较好地解释自由基引起的超微弱发光 的可能性。但在细胞分裂时产生的超微弱发 光及动植物生长时所表现出的方向性无法解释 相干理论则能很好地解释细胞分裂时产生的 超微弱发光 但两者都不能对所有的生物超弱发光现象进 行解释
฀ 图给出了根据黄瓜苗自发发 光的光谱和强度计算出的相 应激发态的分布几率f1 ฀ f为由玻耳兹曼分布的热平衡 态下相应的分布。 ฀ 与热平衡相比，生物系统的 光子辐射可以近似认为与波 长无关，即f1（λ）常数。 ฀ 结果表明：生物系统中存在 着高度的能级反转状态，具 备受激辐射的条件
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DNA是一个发射源 是一个发射源
฀ 自从Popp等人提出DNA光子储存假说及分
化的物理模型以来，人们认识DNA是生物 体的一个超微弱发光源 ฀ DNA分子本身就是一个小小的激光腔，这
个分子的碱基对三重态与单态的反转分布 构成了激光物质。
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代谢发光的实验依据之一
对氧的依赖性 ฀ 如果对酵母细胞的悬浮液吹氧，可以观察 到酵母细胞的PE PE突然增加。停止吹氧20 PE 20 min后，又恢复到初始的辐射水平。 min ฀ 当植物根周围环境中氧的相对比例上升； 植物根的PE PE也几乎线性上升。 PE
的开放系统。 ฀ 具体讲，二者都具有产生相干辐射的
激活物质、泵浦源及谐振腔
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“相干辐射”机制的总结 相干辐射”
相干理论较好地解释了生物分裂时的超微 弱发光。 ฀ 指出DNA是生物超弱发光的一个相干辐射源, 生物细胞间超微弱发光具有一定的相干 性，生物超微弱发光与细胞间通讯有关。 ฀ 解释了许多看来近乎“神秘”的生物现象： 如 酶活性可以认为由超弱光子场所控制；免 疫反应和修补过程除了由光子场相干成分 的花样识别外几乎无法用其他理论解释。
生物超微弱发光发现
฀ ฀ 1923年 俄罗斯细胞生物学家 Alexander G. Gurwitsch 孳生辐射实验
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孳生辐射实验
一个洋葱的根尖对着另一 洋葱的分生组织，两条洋 葱根各自放进两根毛细管 中，垂直的根在外面再套 一个金属套加以屏蔽，受 照点既无金属又无玻璃。 结果受照点分裂得快，长 出一个小包，非受照点则 生长缓慢
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超微弱发光一般反应过程
自由基复合反应生成单线态氧或激发态羰基：
退激发光构成生物的超微弱发光：
生物活细胞在生化过程中， 产生的活性氧相互作用形成 的各种可辐射活化状态是生 超微弱发光的主要来源。
激发态羰基C=O*也可通过辐射光子回到基态