生物光學

生物光學是一個很大的學科，包括對光的有益和有害影響的研究，被廣泛地定義為包括所有涉及非電離輻射的生物現象，生物光學反應是非電離輻射在生物系統中引起的化學和/或物理變化的結果。

基本介紹

• 中文名：生物光學
• 外文名：Photobiology
• 含義：研究光對生物的影響

概念

陽光是我們環境中最重要的元素之一。植物收穫陽光的能量以生長，從而為其他生物提供食物。陽光還提供生物體所需的信息以觸發許多生物反應。這些是陽光的有益波長。

陽光也有不好的一面。較短的波長（或較長波長加上光敏劑）可以殺死植物和其他生物，並使人患上癌症和其他衰弱的病症。

生物光學是對光的有益和有害影響的研究，研究範圍從原子水平一直到生物群落水平。生物光學是一個激動人心且具有挑戰性的科學領域，光生物學家使用所有的科學工具來研究光的化學和生物學效應。

圖1.生物光學

不同領域分支

生物光學可分為13個主要專業領域。其中12個涉及到生物系統中光的吸收，另外一個則研究通過生物系統發出的光（生物發光）。這些區域在下面簡要定義，並將在適當的模組中進行更充分的描述。

光物理學

這個專業領域涉及光與物質在原子和分子水平上的物理相互作用。這些包括分子的振動和旋轉。

光化學

這是對直接吸收光能後分子中發生的化學變化的研究（與光敏作用相比）。這些包括了吸收分子中的改變和在其激發態的吸收分子與相鄰分子之間發生的反應。

光化學第一定律指出：“光必須在發生光化學反應之前被吸收”。這個定律的影響在於，通過了解分子的吸收光譜，即通過了解哪些波長的光可被一個分子吸收，就可以立即預測什麼波長的光可以對該分子具有光化學作用，而且什麼波長的光將沒有效果（因為它們不被吸收）。

光譜

研究物質對光的吸收和釋放，與這些過程對輻射波長的依賴有關。動作頻譜是電磁輻射產生光化學反應的效率，作為輻射波長的函式繪製。它顯示哪些波長的光在特定化學反應（例如光合作用）中被最有效地使用，並且有助於識別吸收分子。

光敏

在這個過程中，光能被一種類型的分子（敏化劑）吸收，導致敏化劑達到富能狀態並產生反應，最終導致系統中另一種分子的化學變化（底物分子）。敏化劑在某些類型的光敏反應中不會改變。

幾乎所有的生物體都含有潛在的光敏劑（例如膽紅素，葉綠素和卟啉）的分子。使用光敏藥物和光的光動力療法在癌症治療中具有重要的套用，其原理是通過光動力學來靶向破壞癌細胞以治療某些形式的肺癌和食管腫瘤。

影響

該領域涉及脫氧核糖核酸（DNA），核糖核酸（RNA）和蛋白質的紫外線輻射光化學，以及這些分子中光化學和光物理變化產生的生物學效應（如致死率、突變）。該領域還研究細胞對這種光化學損傷進行修復的複雜生化系統。

環境光生物學

不同波長的陽光不僅對個體細胞和生物體產生有益和有害的影響，更重要的是對整個生態系統的影響，例如光對物種構成和生產力的影響。

光醫學

這個領域涉及非電離輻射的有害影響和有益效果。在光醫學中，最常見的就是陽光誘發的皮膚癌，但光還有許多有益的區域，其中有僅使用光的治療，例如弱光治療（LLLT）或敏化劑加光線來治療某些臨床病症，例如牛皮癬和癌症。

光醫學還包括光免疫領域，例如，光的吸收可以調節身體的免疫系統，從而防止腫瘤的免疫排斥。

非視覺光接收

與病例相反，光被生物體中的受體接收以監測環境而不形成視覺圖像。例子是控制鳥類和動物激素水平的晝夜節律鐘，以及控制植物和動物季節性生長的光周期。

視覺

導致形成圖形的視覺感受。該領域涵蓋了眼睛中棒狀和錐形光感受器中視色素的結構和光化學。

光形態發生

有機體的發育可以受到光照信息的影響。這些信息來自光通量、光質（即波長）、空間不對稱性（即光的出現方向）以及光的周期性。光形態發生的一些實例是光敏種子的發芽和長日植物的開花。

光運動

植物和生物依靠於光質和光的方向來刺激他們的光感受器來產生運動。例如趨光性的解釋就是有機體朝向或遠離光線的移動。植物中的光向曲率可以朝向或遠離光發生，最好的例子就是向日葵。

查爾斯·達爾文（Charles Darwin）以進化論而聞名，早期曾與他的兒子弗朗西斯（Francis）合作，撰寫了一本關於光相作用的書，《植物運動的力量》（1880）。這本書一直很有影響力，即使達爾文沒有寫出關於進化論的偉大著作，達爾文也會被生物學家所熟知。

圖2.光運動

光合作用

它不是光合作用中所使用的光的信息，而是轉化為穩定的化學能的光的能量。這包括通過色素吸收光、能量轉移、能量獲取或通過反應中心的穩定化，以及從供體到受體分子的化學反應的引發。這是一個採光反應，大多數光合作用反應只需要幾個光子就可以觸發反應。

圖3.光合作用

生物發光

對於大多數人來說，生物發光往往想到螢火蟲發光或在海洋表面的螢光水藻。生物發光是具有生物功能的高效冷光發射，其目的是尋找伴侶或食物。動物王國中所有門的一半以上都含有生物發光的成員。

在Nature's Light雜誌中中，弗朗辛·雅各布斯（Francine Jacobs）講述了一種生物發光螢火蟲（Pyrophorus noctilucus）可能改變了美洲的歷史的故事。1634年，當英國人晚上在古巴登入時，他們看到很多燈光並認為那是是西班牙軍隊已經在島上的火炬手，以為西班牙已經遠遠超過了英國，但他們觀察到的可能是螢火蟲的光芒。

實例

鳥類實例

大多數鳥類在春季進行營巢、產蛋、育雛等等，那是因為這個季節是一年中日照逐漸增長的美好時光。許多鳥類從秋季就開始停育、換羽、育肥、流浪或遷徙，那是因為這個季節，是一年中日照逐漸縮短的時期。

在一般情況下，大多數鳥類必須在光照時間為14～16小時的白天下進行繁殖。為了改變這種情況，人們在鳥類停育的冬季，每天晚上給它們補充光照，使白天的時間延長到14～15小時，則有趣地發現已經停止的生殖腺又能重新活動。

根據這個特點，人們常採用補充光照的方法來提高家禽的產蛋量。如在14～15小時的光照條件下，夏德林種鵝的產蛋率能提高70%；土倫茲品種鵝的產蛋率能提高20%；羅馬尼亞種鵝的產蛋率能提高25.9%；普通信鴿的產蛋率能提高64.6%；火雞和朱雞的產蛋率能提高40%；普通家雞的產蛋率能提高25.3%～77.6%。

原理

為什麼採用補充光照的辦法能提高家禽的產蛋量呢？經過研究發現，家禽生蛋與它的腦垂體有很大關係。當腦垂體分泌催卵激素時，就能促進家禽的卵巢生蛋。實踐證明，要使腦垂體分泌這種催卵激素，就一定要有比較長的光照時間，所以一般家禽在春季的產蛋量要比冬季多。

不同波長的光線，對生物的生命活動也會產生一定的影響。人們又用家禽做試驗，結果發現受到紅光照射的家禽，它的產蛋量增加很少，有的甚至沒有增加。

自從科學工作者揭開了家禽產蛋量與光照之間的秘密之後，人們一方面在選擇雞種和飼料上面下功夫；另一方面利用光對家禽生理活動的影響，加以精心的飼養和管理，結果使家禽的產蛋量大幅度提高。有些良種母雞，已經達到每年下蛋360～370個的新水平。

魚蝦

光對於魚類的生活習性，也能產生明顯的影響。人們一方面觀察在自然光線照射下，魚類在早晨和晚上的活動情況；另一方面研究了在用人工光線的照射下，魚類的反應情況，結果發現隨著光線顏色的不同，被照射的魚類（特別是鰻魚、鯖魚等）會表現出不同的反應。

當光的顏色從波長較短的青色光變換到波長較長的紅色光時，發現光的波長愈短，魚的活動愈活潑；相反，當光的波長愈長，則魚的行動愈遲鈍。在藍色光和綠色光的照射下，魚可以做大範圍的活動；在黃色光的照射下，魚群開始集結到照射燈的附近，行動變得不活躍；在紅色光線照射下，魚群密集在一起，行動大為遲鈍。

人們又用蝦做實驗，結果發現，當用紅燈照射時，它們會一動不動地浮到水面上來。

魚類分布在海洋中各個不同的水層。人們一般習慣地把生活在海洋較底層的魚類，稱為底層魚類，如我國的大黃魚、小黃魚、鯧魚等；而把生活在接近海面或海面以下的魚，稱為中上層魚類，如我國的馬鮫魚、鮐魚 （俗稱油筒魚）、太平洋鯡魚 （俗稱青魚、青條魚等）。中上層的魚類一般都具有敏銳的視覺，發達的測線以及適應迅速遊動的體型，所以捕捉比較困難。

自從人們發現光對魚的生活習性能產生影響之後，近年來世界各國在充分利用底層魚類資源的同時，積極發展“燈光圍網漁業”。這是一種先進的捕魚方法，利用燈光把魚誘集起來，然後用圍網進行捕捉。

昆蟲

昆蟲的生長發育和生活習性，與光也有密切的關係。生活在蒼鬱的林中，植物的莖 （或根）中、地下或大多數倉庫中的昆蟲，由於它們習慣於弱光，所以若增強其生活環境的光度，則它們的活動就會受到抑制。而許多有翅的昆蟲就具有很強的趨光性，它們在夜間飛行時，都是利用光線辨別方向的。利用這個特性，人們常常用橙、黃、綠、藍、紫和紫外光 （因為昆蟲看不見紅光，所以一般不採用紅光）來誘捕大量有害昆蟲，偵察蟲害發生的時期和數量。

人們曾用不同波長、強度和照射周期的光做試驗，結果有趣地發現，家蠶的幼蟲在白色光線照射下 （紅色光次之）生長最快，起眠也比較整齊；當用綠色的光線照射時，發現家蠶的結繭很大；用短波光照射能促進蠶的生長，而長光照射能遲延蠶的生長。

光的顏色，除了對昆蟲的生長發育產生影響之外，還能在一定程度上改變其生活的習性。如用黃色的光線照射螞蟻時，發現它們在受到刺激後能立即去搬移蟻卵；當用綠色的光照射竹節蟲時，發現它們受到刺激後能立刻變色。

植物

植物和光的關係，可以追溯到遠古的年代。在白堊紀中葉以前，根據當時植物的特徵進行判斷，地球上還沒有直射的陽光，那時地球的表面是一片水汽霧和密密層層的雲海。但自從白堊紀中葉起，地球上開始有直射的陽光後，這種渾濁的局面才逐步澄清，大地也漸漸變得暖和起來了。

環境的改變，對於植物的進化起著決定性的作用。一種完全新穎的植物類型——被子植物，就是在這種形勢下誕生的。它一經出現，就非常迅速地在地球大陸上排擠裸子植物而大量地進行繁殖。

對於植物來說，光的作用是一種非常有用的刺激劑。它不僅對於植物莖的大小、形狀、生長方向、生長程度以及莖上芽和分枝的產生能起到很大的影響，而且能以直接的光壓和輻射能，為植物的生長創造最適宜的條件，促使植物兩種最基本的生命活動過程——同化作用（光合作用）與蒸騰作用（水分的吸收和蒸發）順利的進行。植物生命和光的關係，還表現在其他的許多方面。如植物的開花時節，與光照的關係就很密切：

為什麼鮮艷華麗的桃花，必須在春回大地、群營亂飛的清明時節開放？

為什麼雅致素淡的荷花和燦爛多嬌的蘭花，必須在炎熱的夏季開放？

為什麼馥郁芬芳的桂花和瑰麗多姿的菊花，必須在秋高氣爽的中秋佳節開放？

為什麼清香貞潔的梅花，必須在已是懸崖百丈凍的數九寒天開放？

這種情形的出現除了和溫度、水、肥料等因素有密切的關係之外，有關的研究表明，在很大的程度上，光照的周期、光照的顏色對開花的時節，能起到決定性的作用。