1、第二章 光生物學(xué)一.光與生命 激光是一種光。人類對激光的認(rèn)識，是在對光的本性認(rèn)識的基礎(chǔ)上逐步深入的。對光本性的認(rèn)識過程 到19世紀(jì)，關(guān)于光本性的認(rèn)識形成了兩個不同的學(xué)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(rèn)為光是從發(fā)光物體發(fā)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(zhì)中的直線傳播和光在介質(zhì)面上的反射。 無法解釋光在兩種介質(zhì)界面的折射現(xiàn)象以及光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象?；莞固岢龅牟▌诱f 惠更斯的波動說認(rèn)為光是在特殊彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)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(jù)優(yōu)勢，并一直持續(xù)了一百多年。隨著科學(xué)的發(fā)展，光的干涉、衍射、偏振等新的實驗事實的逐步被發(fā)現(xiàn)，微粒說難以解釋，光的波動說占了上風(fēng)。 20世紀(jì)初，普朗克提出了能量子假設(shè)，后經(jīng)愛因斯坦發(fā)展為光量子理論，它很好地解釋了黑體輻射、光電效應(yīng)，進(jìn)而使人們認(rèn)識到光既有波動性，又有粒子性，是波粒二象性的對立統(tǒng)一體。 我國古代就有“光是物質(zhì)中發(fā)出的微粒”的記述； 物質(zhì)內(nèi)部發(fā)出的微粒在其運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生劇烈變化時才能發(fā)光； 各種物質(zhì)會發(fā)射出其固有的特征光譜線，如氖燈發(fā)紅光，鈉燈發(fā)黃光； 光本質(zhì)：既具有波動特性又是粒子流。 光在傳播過程中，表現(xiàn)出波動性； 光在與物質(zhì)

3、相互作用過程中表現(xiàn)出光的粒子性（量子性）; 長波段表現(xiàn)出顯著的波動性; 短波段表現(xiàn)出極強(qiáng)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(chǎn)生熱效應(yīng)。 光與生命及生命現(xiàn)象息息相關(guān)，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(jìn)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(chǎn)生一定的反應(yīng)，如視覺、繁殖、發(fā)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(huán)境因素的動態(tài)而產(chǎn)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(chǎn)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(diào)節(jié)氣候：濕度，氧氣、二氧化碳 4.為人類生存提供適宜環(huán)境，如 O2一、光在地球表面上的分布規(guī)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(huán)境。 (如：松、杉、

5、柳、小麥、玉米等)喜潮濕、背陰環(huán)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(fā)育過程是一個光調(diào)控的過程（光形態(tài)建成過程）光形態(tài)建成: 光控制植物生長、發(fā)育和分化的過程稱為光形態(tài)建成。 種子-幼苗-根、莖、葉-開花-結(jié)果-衰老.1.不同波長的光對植物的影響 藍(lán)紫光、紫外光、遠(yuǎn)紅光能抑制植物的生長發(fā)育，強(qiáng)度越大抑制越強(qiáng) 紅光和紅外光可以決定光形態(tài)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(zhì)，它是一種色素蛋白質(zhì)， 紅光（660nm）能有效地抑制短日植物開花，誘導(dǎo)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(qiáng)對植物生長的影響光照強(qiáng)時，植物光合作用強(qiáng)烈，積累較多糖分，抗寒能力強(qiáng)；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(dǎo)成花的影響光周期： 植物對白日和黑夜時間長短的反應(yīng)稱為光周期。 根據(jù)植物對光周期的反應(yīng)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(dāng)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(jìn)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(fā)育狀態(tài)的控制。 日中性植物包括蕃茄、四季豆、菜豆等。感夜運(yùn)動： 植物的葉片或花朵產(chǎn)生晝夜周期性的開閉現(xiàn)象（由于光照強(qiáng)度的變化，改變了細(xì)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(fā)育、生活周期、地理分布和生活習(xí)性等產(chǎn)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(yīng)：1. 在缺光地方生活的動物體色多為灰或白色；2.變色反應(yīng)： 動物的體色隨光及環(huán)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(jìn)行防御的行為。1.保護(hù)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(tài)）。2. 瞬彩-當(dāng)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(hù)色，又具有同背景鮮明對照的警戒色。4. 擬態(tài)-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(hù)自己的好處的現(xiàn)象。葉蟬竹節(jié)蟲枯

9、葉蝶蘭花螳螂 生物節(jié)律和光有密切關(guān)系：如動物晝夜活動規(guī)律、換毛、遷徙等。晝行性、夜行性、晨昏性生物節(jié)律與生物鐘 植物和動物在自然界中的活動都是有節(jié)律的，有的以日為周期，有的以月或年為周期，這種現(xiàn)象稱為生物節(jié)律。（1）近似晝夜節(jié)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(shù)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(jié)律。 如：太平洋光蟲(環(huán)節(jié)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(chǎn)卵受精。 （3）年周期 以

10、年為周期的近似年節(jié)律在生物界也是十分普遍的。植物的開花、結(jié)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(jié)律。 青蛙冬眠蝸牛夏眠（4）生物鐘 是指長期受地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)引起的晝夜節(jié)律及季節(jié)變化的影響,使生物的生命活動和行為反應(yīng)表現(xiàn)出特定的時間節(jié)律的現(xiàn)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(jìn)行繁殖鹿二.生物組織結(jié)構(gòu)1.細(xì)胞的基本概念 細(xì)胞是生命有機(jī)體結(jié)構(gòu)與功能的基本單位；是有機(jī)體生長、發(fā)育、遺傳的基礎(chǔ)。沒有細(xì)胞就沒有完整的生命對單細(xì)胞生物來說，一個細(xì)胞就是一個個體動物細(xì)胞 動物細(xì)胞： 一般含有細(xì)胞膜、

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

12、械組織分生組織2）動物組織： 上皮組織、結(jié)締組織、肌肉組織、神經(jīng)組織上皮組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：細(xì)胞排列緊密分布特點(diǎn)：人的皮膚、內(nèi)臟器官表面、體內(nèi)各種官腔內(nèi)表面主要功能：主要是保護(hù)，還有分泌和吸收物質(zhì)的功能肌肉組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：肌細(xì)胞組成分布特點(diǎn)：四肢、軀體（骨骼?。呐K（心?。副凇⒛c壁（平滑?。┲饕δ埽哼M(jìn)行收縮、舒張，產(chǎn)生運(yùn)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(jīng)組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由神經(jīng)細(xì)胞組成分布特點(diǎn)：腦、脊髓和神經(jīng)主要功能：接受刺激，產(chǎn)生興奮并傳導(dǎo)興奮的作用結(jié)締組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：細(xì)胞間隙大，細(xì)胞間質(zhì)較多，形態(tài)多樣分布特點(diǎn)：分布廣，血液、軟骨、肌腱主要功能：運(yùn)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(jié)構(gòu)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(hù)、接受各種刺激等功能。 植物六大器官： 與植物的生殖有關(guān)，稱為生殖器官花、果實、種子根、莖、葉、與制造營養(yǎng)物質(zhì)和生長有關(guān),稱為營養(yǎng)器官植物體的結(jié)構(gòu)層次:系統(tǒng)： 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(tǒng)：消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)消化器官: 由以上器官組成人體的消化系統(tǒng)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(tǒng)是相互聯(lián)系的，使人形成一個整體。人體的結(jié)構(gòu)層次:細(xì)胞 組織 器官 系統(tǒng) 人體分裂分化三.生物細(xì)胞（組織）的光學(xué)特性1.散色光特性 生物細(xì)胞（或用反射材料標(biāo)記后）某些成分能反射或散射激光，根據(jù)測得反射（或散射）光的強(qiáng)弱，對活的或固定的生物標(biāo)本的自然反射和標(biāo)記物反射進(jìn)行定性或定量研究。2. 熒光特性生物發(fā)光現(xiàn)象自然界很多生物能夠發(fā)光，生物產(chǎn)生光的現(xiàn)象稱為生物發(fā)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(fā)光的本領(lǐng)，如：夜光蟲、海仙人掌、某些珊瑚蟲、海星等均能發(fā)光。分子發(fā)光可按

15、激發(fā)模式的不同進(jìn)行分類： 1.光致發(fā)光：如果分子因吸收外來輻射光子的能量而被激發(fā)，所產(chǎn)生的次級光發(fā)射現(xiàn)象稱為光致發(fā)光。 光致發(fā)光根據(jù)余輝時間的長短又分為磷光和熒光兩類。2.化學(xué)發(fā)光：是由化學(xué)反應(yīng)釋放的能量所引起的發(fā)光;3.生物發(fā)光：由生物體內(nèi)酶促催化下的生化反應(yīng)所引起的發(fā)光現(xiàn)象，被稱為生物發(fā)光；發(fā)光的生化機(jī)制熒光素-熒光酶發(fā)光系統(tǒng)： 在有氧的情況下，由一種熒光酶對熒光素發(fā)生作用的產(chǎn)物。發(fā)光蛋白系統(tǒng)： 在不需要酶和氧的參與條件下，發(fā)光蛋白受Ca2+的觸發(fā)而發(fā)光。 有機(jī)物的化學(xué)發(fā)光v烴v醇、醛、酮、酸、酯v多酚v雜環(huán)化合物 發(fā)光器官位于腹部的下方，該處具有發(fā)光細(xì)胞。發(fā)光細(xì)胞內(nèi)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化熒光素并且發(fā)出熒光。 螢火蟲發(fā)光 (firefly BL)Luciferin + ATP + O2luciferaseAMP + Oxyluciferin + hv 夜光蟲細(xì)胞質(zhì)中分散著呈粉紅色的擬脂蛋白質(zhì)顆粒。當(dāng)細(xì)胞受到刺激時，發(fā)光顆粒收縮而產(chǎn)生淡藍(lán)色閃光是亞熱帶和熱帶海區(qū)發(fā)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(fā)性的急劇增殖而引起海水（海域）變色的一種有害的生態(tài)異常現(xiàn)象。 鈣信號引起水母發(fā)光蛋白發(fā)光蛋白-熒光素 + Ca2+ -Ca2+-蛋白氧化熒光素 + CO

17、2 + hv 4.熱致發(fā)光：熱活化的離子所引起的發(fā)光現(xiàn)象，稱為熱致發(fā)光。生物發(fā)光的生物學(xué)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(hù)自己。 顯微鏡熒光利用光源激發(fā)光致熒光熒光（Fluorescence）： 物質(zhì)中的電子吸收光的能量由低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軤顟B(tài)，再回到低能狀態(tài)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(zhì)發(fā)生電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷過程中吸收的能量，要高于熒光發(fā)射的能量，因此，熒光的波長要大于激發(fā)光的波長，兩者的差值稱為 Stokes shift（斯托克斯位移）。說明在激發(fā)和發(fā)射

18、之間存在著能量損失熒光的性質(zhì) 保持固有的熒光特性 熒光波長激發(fā)波長 熒光強(qiáng)度極小于激發(fā)光的強(qiáng)度 有不同程度的衰減 熒光強(qiáng)度取決于激發(fā)光強(qiáng)度、被檢物濃度、熒光效率為光致發(fā)光物質(zhì)吸收短波光，發(fā)射出的長波光2.1 自發(fā)熒光特性（固有熒光） 由細(xì)胞本身存在的物質(zhì)經(jīng)紫外線照射后發(fā)出的熒光 GFP、BFP、RFP；組織中的蛋白質(zhì)和脂類等。GFP 綠色熒光蛋白GFP的的發(fā)現(xiàn)： 60年代，Shimomura等首先從水母中分離出一種水母發(fā)光蛋白(aequoren)，該蛋白與鈣和腸腔素結(jié)合后可產(chǎn)生藍(lán)色熒光。然而水母整體及提取的顆粒都呈綠色，后經(jīng)證實在水母體內(nèi)還存在另外一種發(fā)光蛋白即綠色熒光蛋白 GFP, 后經(jīng)研究表明，在水母體內(nèi)Ca2+和腸腔素與水母發(fā)光蛋白結(jié)合后，水母發(fā)光蛋白產(chǎn)生藍(lán)色熒光，GFP在藍(lán)光的激發(fā)下，產(chǎn)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?qū)崟r監(jiān)測外源基因的表達(dá)。GFP, CFP, BFP, YFP商品化質(zhì)粒轉(zhuǎn)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(jiān)測外源基因的表達(dá).檢測細(xì)胞能否表達(dá)某一基