1、第二章 光生物學一.光與生命 激光是一種光。人類對激光的認識，是在對光的本性認識的基礎上逐步深入的。對光本性的認識過程 到19世紀，關于光本性的認識形成了兩個不同的學派：1.牛頓提出的光的“微粒說”；2.與牛頓同時代的惠更斯提出的光的“波動說”。牛頓的微粒說 牛頓認為光是從發光物體發射出來的，以一定的速度在空間傳播的微粒流。 微粒說能解釋光在均勻介質中的直線傳播和光在介質面上的反射。 無法解釋光在兩種介質界面的折射現象以及光的干涉、衍射和偏振現象。惠更斯提出的波動說 惠更斯的波動說認為光是在特殊彈性媒質中傳播的機械振動，像聲音一樣是一種波動過程。 能解釋光的反射和折射定律、光在玻璃或水中傳播比

2、在空氣或真空中慢。 鑒于牛頓的巨大威望，開始是微粒說占據優勢，并一直持續了一百多年。隨著科學的發展，光的干涉、衍射、偏振等新的實驗事實的逐步被發現，微粒說難以解釋，光的波動說占了上風。 20世紀初，普朗克提出了能量子假設，后經愛因斯坦發展為光量子理論，它很好地解釋了黑體輻射、光電效應，進而使人們認識到光既有波動性，又有粒子性，是波粒二象性的對立統一體。 我國古代就有“光是物質中發出的微?！钡挠浭?； 物質內部發出的微粒在其運動狀態發生劇烈變化時才能發光； 各種物質會發射出其固有的特征光譜線，如氖燈發紅光，鈉燈發黃光； 光本質：既具有波動特性又是粒子流。 光在傳播過程中，表現出波動性； 光在與物質

3、相互作用過程中表現出光的粒子性（量子性）; 長波段表現出顯著的波動性; 短波段表現出極強的粒子性。 太陽輻射對地球表面和水體不僅帶來光照，還直接產生熱效應。 光與生命及生命現象息息相關，光是地球上一切生命的能量來源，地球上所有生命都是依靠進入生物圈的太陽輻射來維持。光可致生命起源。 (1)光對動物和植物的生存提供能量的來源。 (2)光直接影響植物的光合作用和色素的形成。沒有光，綠色植物難以生存。 (3)動植物對光的刺激都會產生一定的反應，如視覺、繁殖、發育、行為、分布等。 (4) 光對于動物： 一方面是通過植物和影響其他環境因素的動態而產生間接的影響， 另一方面主要起著信號作用，對于動物的行為

4、和生理上有很大的直接影響。 動物則直接或間接地依賴植物而生存。 直接價值 指植物被人類直接利用的價值。如 糧食，蔬菜、木材、水果、燃料、纖維、中草藥等。間接價值 指在植物生長過程中對人類生活產生有利的影響或作用，分以下幾個方面。 1.提供能源（煤、油、柴等） 2.保持土壤： 3.調節氣候：濕度，氧氣、二氧化碳 4.為人類生存提供適宜環境，如 O2一、光在地球表面上的分布規律紫外線（380nm）-9%可見光（380760nm）-45%紅外線（760nm）-46%二.在空間上的分布緯度海拔高度太陽高度角坡向植被水體中三.光和植物：光對植物的生理和分布起決定性作用。 喜陽光充足環境。 (如：松、杉、

5、柳、小麥、玉米等)喜潮濕、背陰環境。 (如：藥用植物三七、人參等)1.光對植物的分布起決定性作用。陽生植物：陰生植物：水杉陽生植物陰生植物2.植物正常發育過程是一個光調控的過程（光形態建成過程）光形態建成: 光控制植物生長、發育和分化的過程稱為光形態建成。 種子-幼苗-根、莖、葉-開花-結果-衰老.1.不同波長的光對植物的影響 藍紫光、紫外光、遠紅光能抑制植物的生長發育，強度越大抑制越強 紅光和紅外光可以決定光形態建成改變，其光受體是光敏色素。 光敏色素是植物體中一種對光照敏感的物質，它是一種色素蛋白質， 紅光（660nm）能有效地抑制短日植物開花，誘導長日植物開花，紅外光(730nm)正好相

6、反。這兩種光波能互相消除影響。2.光強對植物生長的影響光照強時，植物光合作用強烈，積累較多糖分，抗寒能力強；光照不足，光合速度低，糖分積累少，抗寒能力差。 A B A:黑暗中生長的幼苗 B:光下生長的幼苗3.光周期對器官分化、誘導成花的影響光周期： 植物對白日和黑夜時間長短的反應稱為光周期。 根據植物對光周期的反應不同，可將植物分為三大類。 1.短日植物： 這種植物在日照長度短于某一定臨界值時才能夠開花，對于這種植物適當縮短光照，延長黒暗，可提早開花。反之，則延遲開花或不開花。 短日照植物有大豆、紫蘇、晚稻、蒼耳、菊、煙草、一品紅、落地生根等。2. 長日植物 這種植物在日照長度大于某一臨界值時

7、才能開花。在臨界日長以上，延長日照，縮短黑暗，可提早開花。反之則不進行花芽分化，不開花。 長日植物包括，小麥、菠菜、蘿卜、甜菜、豌豆、油菜、天仙子等。3.日中性植物 這植物開花對日照長度沒有特殊的要求，在任何日照長度下均能開花，因此可四季種植，這種植物開花受自身發育狀態的控制。 日中性植物包括蕃茄、四季豆、菜豆等。感夜運動： 植物的葉片或花朵產生晝夜周期性的開閉現象（由于光照強度的變化，改變了細胞的生理狀況，如合歡、睡蓮）。四.光和動物： 光對動物的熱能代謝、體表顏色 、視覺、繁殖、生長發育、生活周期、地理分布和生活習性等產生直接或間接的影響。 如魚的體色、蛾類趨光性、鳥的遷徙等。 動物體色是

8、對光的一種反應：1. 在缺光地方生活的動物體色多為灰或白色；2.變色反應： 動物的體色隨光及環境顏色的改變而改變。如：古巴彩色蝸牛、非洲花鳥、烏賊、蚱蜢、避役等。 色彩防御： 昆蟲利用身體的顏色來進行防御的行為。1.保護色-指體色斷裂成幾部分鑲嵌在背景中，起躲避捕食性天敵的作用的色彩。綠色蚱蜢，枯葉蝶（同時又是擬態）。2. 瞬彩-當受到威脅時突然顯露的色彩。瞬彩能對天敵或騷擾者起驚嚇作用。3. 警戒色-有些昆蟲既是具有同背景相似的保護色，又具有同背景鮮明對照的警戒色。4. 擬態-指昆蟲在外形、姿勢、顏色、斑紋或行為等方面模仿它種生物或非生物體，以躲避天敵，獲得保護自己的好處的現象。葉蟬竹節蟲枯

9、葉蝶蘭花螳螂 生物節律和光有密切關系：如動物晝夜活動規律、換毛、遷徙等。晝行性、夜行性、晨昏性生物節律與生物鐘 植物和動物在自然界中的活動都是有節律的，有的以日為周期，有的以月或年為周期，這種現象稱為生物節律。（1）近似晝夜節律日出性或晝出性： 白晝活動（如蜻蜓、蝶類等） 夜間活動 （大多數蛾類） 弱光性：弱光下活動，如蚊子 蛾類多在夜間活動，具有趨光性，對紫外線很敏感。 人們可在夜間用黑光燈誘殺這類害蟲。（2）月周期 許多體外受精的無脊椎動物每年的繁殖活動都顯示了月周期節律。 如：太平洋光蟲(環節動物)每年10月、11月為繁殖時期。它們于黎明時大量聚集于水面，完成產卵受精。 （3）年周期 以

10、年為周期的近似年節律在生物界也是十分普遍的。植物的開花、結實休眠，動物的遷徙、繁殖、換毛等都具有確定的時間，都反映了近似年節律。 青蛙冬眠蝸牛夏眠（4）生物鐘 是指長期受地球自轉和公轉引起的晝夜節律及季節變化的影響,使生物的生命活動和行為反應表現出特定的時間節律的現象即生物鐘。日照時間長短影響動物繁殖可利用燈光或黑幕，人為地延長或縮短光照時間，從而有效地控制動物的生殖。短日照條件下進行繁殖鹿二.生物組織結構1.細胞的基本概念 細胞是生命有機體結構與功能的基本單位；是有機體生長、發育、遺傳的基礎。沒有細胞就沒有完整的生命對單細胞生物來說，一個細胞就是一個個體動物細胞 動物細胞： 一般含有細胞膜、

11、細胞核、核液、染色質、核仁、核孔、細胞質、核糖體、內質網、線粒體、中心體等。植物細胞植物細胞：有細胞壁、細胞膜、細胞核、核液、染色質、核仁、核孔、細胞質、核糖體、內質網、線粒體、液泡、葉綠體等。 單層膜包圍的泡狀細胞器，含大量無機鹽、糖類、氨基酸及色素等成分，與細胞滲透壓有關;決定植物的味道、顏色微生物細胞細菌（原核）細胞病毒 病毒是由一個核酸分子(DNA或RNA)與蛋白質構成的非細胞形態的生命體。類病毒僅由一個有感染性的RNA構成; 朊病毒僅由有感染性的蛋白質構成。 病毒是完整的寄生物。2.組織 形態和功能相似的細胞集中在一起形成的細胞群就是組織。1）植物組織薄壁組織 輸導組織 營養組織 機

12、械組織分生組織2）動物組織： 上皮組織、結締組織、肌肉組織、神經組織上皮組織結構特點：細胞排列緊密分布特點：人的皮膚、內臟器官表面、體內各種官腔內表面主要功能：主要是保護，還有分泌和吸收物質的功能肌肉組織結構特點：肌細胞組成分布特點：四肢、軀體（骨骼?。呐K（心肌），胃壁、腸壁（平滑?。┲饕δ埽哼M行收縮、舒張，產生運動。平滑肌和心肌不受人的意志支配平滑肌骨骼肌心肌神經組織結構特點：由神經細胞組成分布特點：腦、脊髓和神經主要功能：接受刺激，產生興奮并傳導興奮的作用結締組織結構特點：細胞間隙大，細胞間質較多，形態多樣分布特點：分布廣，血液、軟骨、肌腱主要功能：運輸、支持等器官(organ) ：

13、 多種組織按照一定的次序組合在一起的、具有一定功能的結構稱為器官。 各種組織并不是無序排列的，而是按照一定的次序組合在一起的。不同的組合方式行使著不同的功能，如葉有光合作用的功能，皮膚有保 護、接受各種刺激等功能。 植物六大器官： 與植物的生殖有關，稱為生殖器官花、果實、種子根、莖、葉、與制造營養物質和生長有關,稱為營養器官植物體的結構層次:系統： 不同的器官按照一定的順序排列在一起，能完成一項或多項生理活動。 人體的八大系統：消化系統、循環系統、呼吸系統、泌尿系統、生殖系統、神經系統、運動系統、內分泌系統消化器官: 由以上器官組成人體的消化系統消化腺-唾液腺，胃腺，腸腺，胰腺，肝臟等消化管-

14、口腔，咽，食道，胃，大腸，小腸，肛門消化液-唾液、胃液、膽液、腸液、胰液各個系統是相互聯系的，使人形成一個整體。人體的結構層次:細胞 組織 器官 系統 人體分裂分化三.生物細胞（組織）的光學特性1.散色光特性 生物細胞（或用反射材料標記后）某些成分能反射或散射激光，根據測得反射（或散射）光的強弱，對活的或固定的生物標本的自然反射和標記物反射進行定性或定量研究。2. 熒光特性生物發光現象自然界很多生物能夠發光，生物產生光的現象稱為生物發光。生物界有近40科的生物，特別是很多海洋生物（約有2/3深海魚類）能象螢火蟲那樣，有著發光的本領，如：夜光蟲、海仙人掌、某些珊瑚蟲、海星等均能發光。分子發光可按

15、激發模式的不同進行分類： 1.光致發光：如果分子因吸收外來輻射光子的能量而被激發，所產生的次級光發射現象稱為光致發光。 光致發光根據余輝時間的長短又分為磷光和熒光兩類。2.化學發光：是由化學反應釋放的能量所引起的發光;3.生物發光：由生物體內酶促催化下的生化反應所引起的發光現象，被稱為生物發光；發光的生化機制熒光素-熒光酶發光系統： 在有氧的情況下，由一種熒光酶對熒光素發生作用的產物。發光蛋白系統： 在不需要酶和氧的參與條件下，發光蛋白受Ca2+的觸發而發光。 有機物的化學發光v烴v醇、醛、酮、酸、酯v多酚v雜環化合物 發光器官位于腹部的下方，該處具有發光細胞。發光細胞內有熒光素和熒光素酶。熒

16、光素接受ATP 提供的能量后就被激活。在熒光素酶的催化作用下，激活的熒光素與氧發生化學反應，形成氧化熒光素并且發出熒光。 螢火蟲發光 (firefly BL)Luciferin + ATP + O2luciferaseAMP + Oxyluciferin + hv 夜光蟲細胞質中分散著呈粉紅色的擬脂蛋白質顆粒。當細胞受到刺激時，發光顆粒收縮而產生淡藍色閃光是亞熱帶和熱帶海區發生赤潮的主要生物之一 赤潮是指海洋中某些微小的浮游生物在一定條件下爆發性的急劇增殖而引起海水（海域）變色的一種有害的生態異?，F象。 鈣信號引起水母發光蛋白發光蛋白-熒光素 + Ca2+ -Ca2+-蛋白氧化熒光素 + CO

17、2 + hv 4.熱致發光：熱活化的離子所引起的發光現象，稱為熱致發光。生物發光的生物學意義1.作為同種集群的識別信號（識別同類、控制集群、引誘異性）。2.引誘捕獲物，如深海魚類和腔腸動物。3.照明或警告肉食性敵害或利用光幕來掩護自己。 顯微鏡熒光利用光源激發光致熒光熒光（Fluorescence）： 物質中的電子吸收光的能量由低能狀態轉變為高能狀態，再回到低能狀態時以光的形式釋放出它所吸收的能量，這種光即稱為熒光 物質發生電子從基態向激發態躍遷過程中吸收的能量，要高于熒光發射的能量，因此，熒光的波長要大于激發光的波長，兩者的差值稱為 Stokes shift（斯托克斯位移）。說明在激發和發射

18、之間存在著能量損失熒光的性質 保持固有的熒光特性 熒光波長激發波長 熒光強度極小于激發光的強度 有不同程度的衰減 熒光強度取決于激發光強度、被檢物濃度、熒光效率為光致發光物質吸收短波光，發射出的長波光2.1 自發熒光特性（固有熒光） 由細胞本身存在的物質經紫外線照射后發出的熒光 GFP、BFP、RFP；組織中的蛋白質和脂類等。GFP 綠色熒光蛋白GFP的的發現： 60年代，Shimomura等首先從水母中分離出一種水母發光蛋白(aequoren)，該蛋白與鈣和腸腔素結合后可產生藍色熒光。然而水母整體及提取的顆粒都呈綠色，后經證實在水母體內還存在另外一種發光蛋白即綠色熒光蛋白 GFP, 后經研究表明，在水母體內Ca2+和腸腔素與水母發光蛋白結合后，水母發光蛋白產生藍色熒光，GFP在藍光的激發下，產生綠色熒光 。 將外源基因DNA與 GFP 相連, GFP可作為外源基因的報告基因實時監測外源基因的表達。GFP, CFP, BFP, YFP商品化質粒轉基因動物: Green mouse外源基因的報告基因: 將外源基因與GFP DNA 相連, 可實時 監測外源基因的表達.檢測細胞能否表達某一基