生物光学

研究光对生物的影响的学科

生物光学是一个很大的学科，包括对光的有益和有害影响的研究，被广泛地定义为包括所有涉及非电离辐射的生物现象，生物光学反应是非电离辐射在生物系统中引起的化学和/或物理变化的结果。

概念

阳光是我们环境中最重要的元素之一。植物收获阳光的能量以生长，从而为其他生物提供食物。阳光还提供生物体所需的信息以触发许多生物反应。这些是阳光的有益波长。

阳光也有不好的一面。较短的波长（或较长波长加上光敏剂）可以杀死植物和其他生物，并使人患上癌症和其他衰弱的病症。

生物光学是对光的有益和有害影响的研究，研究范围从原子水平一直到生物群落水平。生物光学是一个激动人心且具有挑战性的科学领域，光生物学家使用所有的科学工具来研究光的化学和生物学效应。

不同领域分支

生物光学可分为13个主要专业领域。其中12个涉及到生物系统中光的吸收，另外一个则研究通过生物系统发出的光（生物发光）。这些区域在下面简要定义，并将在适当的模块中进行更充分的描述。

光物理学

这个专业领域涉及光与物质在原子和分子水平上的物理相互作用。这些包括分子的振动和旋转。

光化学

这是对直接吸收光能后分子中发生的化学变化的研究（与光敏作用相比）。这些包括了吸收分子中的改变和在其激发态的吸收分子与相邻分子之间发生的反应。

光化学第一定律指出：“光必须在发生光化学反应之前被吸收”。这个定律的影响在于，通过了解分子的吸收光谱，即通过了解哪些波长的光可被一个分子吸收，就可以立即预测什么波长的光可以对该分子具有光化学作用，而且什么波长的光将没有效果（因为它们不被吸收）。

光谱

研究物质对光的吸收和释放，与这些过程对辐射波长的依赖有关。动作频谱是电磁辐射产生光化学反应的效率，作为辐射波长的函数绘制。它显示哪些波长的光在特定化学反应（例如光合作用）中被最有效地使用，并且有助于识别吸收分子。

光敏

在这个过程中，光能被一种类型的分子（敏化剂）吸收，导致敏化剂达到富能状态并产生反应，最终导致系统中另一种分子的化学变化（底物分子）。敏化剂在某些类型的光敏反应中不会改变。

几乎所有的生物体都含有潜在的光敏剂（例如胆红素，叶绿素和卟啉）的分子。使用光敏药物和光的光动力疗法在癌症治疗中具有重要的应用，其原理是通过光动力学来靶向破坏癌细胞以治疗某些形式的肺癌和食管肿瘤。

影响

该领域涉及脱氧核糖核酸（DNA），核糖核酸（RNA）和蛋白质的紫外线辐射光化学，以及这些分子中光化学和光物理变化产生的生物学效应（如致死率、突变）。该领域还研究细胞对这种光化学损伤进行修复的复杂生化系统。

环境光生物学

不同波长的阳光不仅对个体细胞和生物体产生有益和有害的影响，更重要的是对整个生态系统的影响，例如光对物种构成和生产力的影响。

光医学

这个领域涉及非电离辐射的有害影响和有益效果。在光医学中，最常见的就是阳光诱发的皮肤癌，但光还有许多有益的区域，其中有仅使用光的治疗，例如弱光治疗（LLLT）或敏化剂加光线来治疗某些临床病症，例如牛皮癣和癌症。

光医学还包括光免疫领域，例如，光的吸收可以调节身体的免疫系统，从而防止肿瘤的免疫排斥。

非视觉光接收

与病例相反，光被生物体中的受体接收以监测环境而不形成视觉图像。例子是控制鸟类和动物激素水平的昼夜节律钟，以及控制植物和动物季节性生长的光周期。

视觉

导致形成图形的视觉感受。该领域涵盖了眼睛中棒状和锥形光感受器中视色素的结构和光化学。

光形态发生

有机体的发育可以受到光照信息的影响。这些信息来自光通量、光质（即波长）、空间不对称性（即光的出现方向）以及光的周期性。光形态发生的一些实例是光敏种子的发芽和长日植物的开花。

光运动

植物和生物依靠于光质和光的方向来刺激他们的光感受器来产生运动。例如趋光性的解释就是有机体朝向或远离光线的移动。植物中的光向曲率可以朝向或远离光发生，最好的例子就是向日葵。

查尔斯·达尔文（Charles Darwin）以进化论而闻名，早期曾与他的儿子弗朗西斯（Francis）合作，撰写了一本关于光相作用的书，《植物运动的力量》（1880）。这本书一直很有影响力，即使达尔文没有写出关于进化论的伟大著作，达尔文也会被生物学家所熟知。

光合作用

它不是光合作用中所使用的光的信息，而是转化为稳定的化学能的光的能量。这包括通过色素吸收光、能量转移、能量获取或通过反应中心的稳定化，以及从供体到受体分子的化学反应的引发。这是一个采光反应，大多数光合作用反应只需要几个光子就可以触发反应。

生物发光

对于大多数人来说，生物发光往往想到萤火虫发光或在海洋表面的荧光水藻。生物发光是具有生物功能的高效冷光发射，其目的是寻找伴侣或食物。动物王国中所有门的一半以上都含有生物发光的成员。生物之所以发光，是为了迷惑捕食者。

在Nature's Light杂志中中，弗朗辛·雅各布斯（Francine Jacobs）讲述了一种生物发光萤火虫（Pyrophorus noctilucus）可能改变了美洲的历史的故事。1634年，当英国人晚上在古巴登陆时，他们看到很多灯光并认为那是是西班牙军队已经在岛上的火炬手，以为西班牙已经远远超过了英国，但他们观察到的可能是萤火虫的光芒。

实例

鸟类实例

大多数鸟类在春季进行营巢、产蛋、育雏等等，那是因为这个季节是一年中日照逐渐增长的美好时光。许多鸟类从秋季就开始停育、换羽、育肥、流浪或迁徙，那是因为这个季节，是一年中日照逐渐缩短的时期。

在一般情况下，大多数鸟类必须在光照时间为14～16小时的白天下进行繁殖。为了改变这种情况，人们在鸟类停育的冬季，每天晚上给它们补充光照，使白天的时间延长到14～15小时，则有趣地发现已经停止的生殖腺又能重新活动。

根据这个特点，人们常采用补充光照的方法来提高家禽的产蛋量。如在14～15小时的光照条件下，夏德林种鹅的产蛋率能提高70%；土伦兹品种鹅的产蛋率能提高20%；罗马尼亚种鹅的产蛋率能提高25.9%；普通信鸽的产蛋率能提高64.6%；火鸡和朱鸡的产蛋率能提高40%；普通家鸡的产蛋率能提高25.3%～77.6%。

原理

为什么采用补充光照的办法能提高家禽的产蛋量呢？经过研究发现，家禽生蛋与它的脑垂体有很大关系。当脑垂体分泌催卵激素时，就能促进家禽的卵巢生蛋。实践证明，要使脑垂体分泌这种催卵激素，就一定要有比较长的光照时间，所以一般家禽在春季的产蛋量要比冬季多。

不同波长的光线，对生物的生命活动也会产生一定的影响。人们又用家禽做试验，结果发现受到红光照射的家禽，它的产蛋量增加很少，有的甚至没有增加。

自从科学工作者揭开了家禽产蛋量与光照之间的秘密之后，人们一方面在选择鸡种和饲料上面下功夫；另一方面利用光对家禽生理活动的影响，加以精心的饲养和管理，结果使家禽的产蛋量大幅度提高。有些良种母鸡，已经达到每年下蛋360～370个的新水平。

鱼虾

光对于鱼类的生活习性，也能产生明显的影响。人们一方面观察在自然光线照射下，鱼类在早晨和晚上的活动情况；另一方面研究了在用人工光线的照射下，鱼类的反应情况，结果发现随着光线颜色的不同，被照射的鱼类（特别是鳗鱼、鲭鱼等）会表现出不同的反应。

当光的颜色从波长较短的青色光变换到波长较长的红色光时，发现光的波长愈短，鱼的活动愈活泼；相反，当光的波长愈长，则鱼的行动愈迟钝。在蓝色光和绿色光的照射下，鱼可以做大范围的活动；在黄色光的照射下，鱼群开始集结到照射灯的附近，行动变得不活跃；在红色光线照射下，鱼群密集在一起，行动大为迟钝。

人们又用虾做实验，结果发现，当用红灯照射时，它们会一动不动地浮到水面上来。

鱼类分布在海洋中各个不同的水层。人们一般习惯地把生活在海洋较底层的鱼类，称为底层鱼类，如我国的大黄鱼、小黄鱼、鲳鱼等；而把生活在接近海面或海面以下的鱼，称为中上层鱼类，如我国的马鲛鱼、鲐鱼（俗称油筒鱼）、太平洋鲱鱼（俗称青鱼、青条鱼等）。中上层的鱼类一般都具有敏锐的视觉，发达的测线以及适应迅速游动的体型，所以捕捉比较困难。

自从人们发现光对鱼的生活习性能产生影响之后，近年来世界各国在充分利用底层鱼类资源的同时，积极发展“灯光围网渔业”。这是一种先进的捕鱼方法，利用灯光把鱼诱集起来，然后用围网进行捕捉。

昆虫

昆虫的生长发育和生活习性，与光也有密切的关系。生活在苍郁的林中，植物的茎（或根）中、地下或大多数仓库中的昆虫，由于它们习惯于弱光，所以若增强其生活环境的光度，则它们的活动就会受到抑制。而许多有翅的昆虫就具有很强的趋光性，它们在夜间飞行时，都是利用光线辨别方向的。利用这个特性，人们常常用橙、黄、绿、蓝、紫和紫外光（因为昆虫看不见红光，所以一般不采用红光）来诱捕大量有害昆虫，侦察虫害发生的时期和数量。

人们曾用不同波长、强度和照射周期的光做试验，结果有趣地发现，家蚕的幼虫在白色光线照射下（红色光次之）生长最快，起眠也比较整齐；当用绿色的光线照射时，发现家蚕的结茧很大；用短波光照射能促进蚕的生长，而长光照射能迟延蚕的生长。

光的颜色，除了对昆虫的生长发育产生影响之外，还能在一定程度上改变其生活的习性。如用黄色的光线照射蚂蚁时，发现它们在受到刺激后能立即去搬移蚁卵；当用绿色的光照射竹节虫时，发现它们受到刺激后能立刻变色。

植物

植物和光的关系，可以追溯到远古的年代。在白垩纪中叶以前，根据当时植物的特征进行判断，地球上还没有直射的阳光，那时地球的表面是一片水汽雾和密密层层的云海。但自从白垩纪中叶起，地球上开始有直射的阳光后，这种浑浊的局面才逐步澄清，大地也渐渐变得暖和起来了。

环境的改变，对于植物的进化起着决定性的作用。一种完全新颖的植物类型——被子植物，就是在这种形势下诞生的。它一经出现，就非常迅速地在地球大陆上排挤裸子植物而大量地进行繁殖。

对于植物来说，光的作用是一种非常有用的刺激剂。它不仅对于植物茎的大小、形状、生长方向、生长程度以及茎上芽和分枝的产生能起到很大的影响，而且能以直接的光压和辐射能，为植物的生长创造最适宜的条件，促使植物两种最基本的生命活动过程——同化作用（光合作用）与蒸腾作用（水分的吸收和蒸发）顺利的进行。植物生命和光的关系，还表现在其他的许多方面。如植物的开花时节，与光照的关系就很密切：

为什么鲜艳华丽的桃花，必须在春回大地、群莺乱飞的清明时节开放？

为什么雅致素淡的荷花和灿烂多娇的兰花，必须在炎热的夏季开放？

为什么馥郁芬芳的桂花和瑰丽多姿的菊花，必须在秋高气爽的中秋佳节开放？

为什么清香贞洁的梅花，必须在已是悬崖百丈冰的数九寒天开放？

这种情形的出现除了和温度、水、肥料等因素有密切的关系之外，有关的研究表明，在很大的程度上，光照的周期、光照的颜色对开花的时节，能起到决定性的作用。

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