生物光子輻射中的陰陽相互作用機制

封面：理論中醫(yī)學圖說

生物光子輻射中的陰陽相互作用機制

Yinyang mutual action mechanism in biophoton emission

用多學科交叉的思維和眼光透視經典中醫(yī)藥學理論，重新發(fā)現和挖掘出孕育于其中的新的科學問題，構筑和交集全新的理論中醫(yī)學（Theoretical Traditional Chinese Medicine，TTCM）發(fā)展前沿和邊界。

按照經典中醫(yī)藥學（classic Chinese medicine，CCM）的理論，陰陽相互作用（互感、互消、互長、互生、互用和互化）是一個貫穿于不同層面生命運動之中的一個具有普適性的調控機制，所謂“陰陽者，天地之道也，萬物之綱紀，變化之父母，生殺之本始，神明之府也”和“陰陽之中復有陰陽”，其“數之可十，推之可百，數之可千，推之可萬，萬之大，不可勝數，然其要一也”。正因為如此，將陰陽理論與現代自然科學的有關理論進行相關和交叉研究，既用以論證經典中醫(yī)藥學的陰陽理論在現代自然科學意義上的合理性，又用以從中發(fā)現和挖掘新的知識，這一直是中醫(yī)學和其他相關學科的學者共同感興趣的話題，甚至正在形成一個新的交叉研究領域，方興未艾。

因為陰陽相互作用具有的普適性，所以可以從不同的角度對其進行研究。在這一領域，已有許多來自不同學科、采用不同方法進行的不同角度的研究，例如有關陰陽學說與物理學對稱理論相關聯的研究［1］、陰陽相互作用與邏輯斯蒂映像（logistic map）的關聯性［2］、從細胞力學（cytomechanics）模型和方法對陰陽相互作用的研究［3］、基于天人之間的“陰陽應象”提出來的關于生命體和宇宙同樣存在暗物質（dark matter）和暗能量（dark energy）的假說［4］、腎陰陽平衡與機體雌雄激素的交叉代謝及其非線性動力學平衡的相關性［5］等。此外，還有一些其他關于陰陽相互作用的數學原理及模型的研究［6-7］。近來，有學者綜述了關于經典中醫(yī)藥學陰陽學說的現代研究的一些進展［8］。

這一系列的比較研究把經典中醫(yī)藥學的陰陽學說與現代自然科學相關學科的相關理論所內稟的關聯性揭示了出來，這既清晰地驗證了經典中醫(yī)藥學陰陽學說的正確性及合理性，也為現代生物醫(yī)學以陰陽學說為“橋梁”把與其相關的現代自然科學理論及方法引入生物醫(yī)學研究及臨床應用，以及在這些關聯的交叉領域發(fā)現了新的知識，建立了新的思維模式和研究方向。

基于同樣的思維模式，本文探討在生物光子輻射中存在和普遍利用的陰陽相互作用機制及其生物醫(yī)學意義。為此，我們需要了解生物光子學（生物物理藥理學）。

生物光子學（biophotonics）

從人們對“鬼火”的迷信和看到螢火蟲發(fā)光開始研究生物發(fā)光現象至今，有關化學分子和生物分子（例如蛋白質和核酸）發(fā)光及其機制的研究已經取得一系列重大進展，這導致了一系列化學發(fā)光分析技術（例如發(fā)光、熒光、磷光、電化學發(fā)光光譜分析以及化學發(fā)光免疫分析等）的出現，并在化學、物理化學和生物化學領域得到廣泛應用。2008年，日本和美國的科學家因綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，GFP）的研究而獲得諾貝爾化學獎，在此基礎上，以綠色熒光蛋白熒光標記為基礎的一系列生物測量和分析技術（例如動植物活體成像）發(fā)展起來，廣泛應用于生物體的分子標記、基于活體細胞的藥物篩選、融合抗體制造以及基于GFP光信號傳導的生物傳感器研發(fā)等領域。

以往的生物光學研究均是在體外針對生物分子進行的，但自從20世紀50年代中期生物學家探測到谷物種子的光輻射開始，一個在整體生命體上探測和研究光輻射的時代就開始了，且至今已取得了一系列重要進展，這些研究導致了生物光子學（biophotonics）的誕生。

生物光子學是一門研究生物光子在體內的產生和輻射規(guī)律的學科。根據已有的研究，可以把生物光子分為兩類，一類是激發(fā)生物光子（inspire biophoton），即通過一定的方法激發(fā)生物體內的特定細胞或分子，如體內的熒光素酶基因和生物分子熒光報告基團（如GFP、DsRed、Cy5和Cy7等）產生的光子（熒光或磷光），另一類是發(fā)射生物光子（emission biophoton），即生物體在各種條件和狀態(tài)下的生命活動自然產生并發(fā)射的生物光子。

正如物理學中的光子具有波粒二象性一樣，生物光子在體內的行為當同樣也具有波粒二象性，由此，我們可以看到并預計，生物光子學研究將使生物學家有機會把包括人體在內的生物體模擬為一個生物量子系統(tǒng)（bioquantum system），從而把認識生命活動的視野引向量子水平和量子機制，利用量子力學（quantum mechanics）、波動力學（wave mechanics）、量子場論（quantized field theory）、量子電動力學（quantum electrodynamics）、量子信息學（quantum informatics）以及量子通信（quantum communication）和量子控制論（quantum control theory）、量子計算（quantum computation）等理論與方法進行生理學、病理學和藥理學研究。在此，我們將這一領域的研究稱為量子生理學（quantum physiology）、量子病理學（quantum pathology）和量子藥理學（quantum pharmacology），這將是一個在與基于解剖學建立的生命系統(tǒng)完全不同的生命系統(tǒng)上進行的生物量子力學（bioquantum mechanics）研究。之前，我們已經提出了中醫(yī)藥學理論的生物量子力學研究方向，并首先對氣作為宇宙間一種統(tǒng)一的能量進行了初步的探討［9］，這正像以前我們曾指出的，只有這樣的研究才有可能使生物學家真正“觸摸”到生命的本質，也才有可能真正理解和重建經典中醫(yī)藥學，并在這一基礎上將經典中醫(yī)藥學與現代生物醫(yī)學統(tǒng)一起來。

生物光子輻射（biophoton emission）

關于生物光子輻射的研究，最早要追溯到20世紀20年代，那時候，俄羅斯生物學家Gurwitsch A A［10］通過一個設計精巧的實驗，觀察到了完全不相連的兩根洋蔥頭根絲之間細胞有絲分裂的相互感應。不過，這一奇特現象的研究在當時并沒有引起普遍的重視，只是隨著微弱光探測技術的進步［11］。到了20世紀50年代，意大利物理學家Colli在一些植物幼芽上檢測到超弱發(fā)光之后，生物光子輻射的研究才成為一個受到普遍重視的研究領域。

生物光子輻射研究的首要問題是生物光子的輻射源，換句話說就是生物光源（biophotosource）的問題。如上所述，激發(fā)生物光子的輻射源是體內的螢光素酶基因和生物大分子（蛋白質和核酸）上的熒光報告基團。發(fā)射生物光子輻射源是正在研究中的問題。根據現有的研究報道，發(fā)射生物光子輻射大約源于以下幾種機制。

（一）DNA和蛋白質分子以及這類分子的電子能態(tài)（能級）時時都發(fā)生的在高低之間的躍遷，對此，早有研究證明蛋白質分子具有半導體的性質和特征是電子能態(tài)（能級）躍遷的結構基礎，而也已有研究表明，DNA分子空間構象相應于不同強度的生物光子輻射［12］。

（二）生命體內時時都存在的非局域相干電磁場［12］。

（三）源于細胞分裂，在酵母細胞torula utilis上進行的研究顯示，細胞分裂過程與生物光子輻射相關聯［13］；

（四）生命系統(tǒng)具有的類激光器結構和性質。有關的生物學與物理學的比較研究表明，細胞就是一個生物耦極子（biology dipole），而機體則可以模擬為一個生物耦極子系統(tǒng)（biology dipole system），是生物光子的輻射源，也正是在這個意義上，物理學家和生物學家借助于激光輻射的物理機制，巧妙地“溝通了生物學與物理學”。

（五）生物電化學發(fā)光（bioelectrochemiluminescence，BECL），即生物體液中的陰陽粒子在生物電的作用下發(fā)生湮滅反應而產生生物光子［13］。

現在知道，生物光子輻射（biophoton emission）是一種超微弱的電磁輻射，其強度約在10～1 000光子/（s·cm2），光譜分布在200～800 nm，具有明顯的合作效應，是伴隨著生命活動的一種普遍和基本的生命現象，攜載著生命體在不同環(huán)境和條件下的整體活動信息，也是生命在量子水平普遍利用的一種具有高效率、高保密性和高保真度的通信和調控機制。已有的量子信息學研究表明，量子通信具有許多獨特的特性，例如量子鑰匙分配（quantum key distribution）、量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）、量子秘密分享（quantum secret shring）以及量子比特承諾（quantum bit commitment）等，這些特性是量子通信能具有高保密性和高保真度的物理基礎，也是高速和精準量子計算的物理基礎，我們相信這些特性和機制在生物光子通信與調控過程中同樣存在。在此需要提出來的是，來自生物體的紅外輻射也是生物光子輻射，只不過截至目前的研究只是聚焦在紅外輻射的熱效應上，而沒有從光量子角度進行研究罷了。但根據生物光子學和物理學中有關紅外通信與控制的原理，我們相信，發(fā)自生物體的紅外輻射可能在自身生命體以及生命體之間的生命信息傳遞、識別與調控方面發(fā)揮著重要作用。

生物光子輻射中的陰陽相互作用機制

根據生物光子學已有的研究，空間和時間相干性是生物光子輻射的一個基本性質和特征，而正是由此我們發(fā)現了充滿在生物光子輻射中那些與經典中醫(yī)藥學理論有關陰陽相互作用完全相似的機制，據我們已經進行的有限研究，主要體現在以下幾個方面。

（一）生物光子輻射有相長的超輻射（constructive superradiance）和相消的亞輻射（destructive subradiance），這兩類生物光子輻射的相干性是生物光子輻射一系列許多其他性質和生物學功能的來源和基礎，已有的研究包括：（1）生物光子存儲和生物能量存儲［13］，而這一能量儲備功能對于生命活動無疑是非常重要的；（2）形成生物光子的合作輻射；（3）生物光子合作輻射的參數演化最終形成生命體能級的平衡分布（fυ=constant），這與非生命體能級的波爾茲曼分布有顯著的不同，由此可以進一步演化出許多生命體特有的特性。例如已經得到研究的有降低圍觀狀態(tài)的自由度，使自身熵變最小化，從而達到和保持組織的高度有序性。已經在DNA中觀察到這一生物熱力學和動力學特性［13］；相干生物光子通過組織時的零能量損耗［13］，有文獻稱這一特性為生物光子在生物組織中傳播的透明性；使生物光子傳播具有極高的信噪比，這決定了生物系統(tǒng)對生物信號響應的高敏感性；決定并支配生物系統(tǒng)中的非平衡相變，該相變發(fā)生在一個有序的低度耗散態(tài)與混沌的高度柔韌態(tài)之間，能不斷地發(fā)射生物光子［13］；決定并調控生物系統(tǒng)內生化反應的高反應速率；（4）由fυ=constant能演化出光子強度、相干時間等參數的相對性平衡變化，從而使生物光子輻射強度、生物光子譜熵與光子相干時間的乘積以及生物光子強度與譜熵的比值均導向一個常數，這些參數在趨向常數的相對演化過程中使生物系統(tǒng)的熵降低和有序度提升；（5）構成生物體的不同水平的不同生命結構之間（例如大分子之間、細胞與細胞之間以及人體與人體之間等）實現量子通信的基礎?？梢钥闯?，生物光子的“相長”和“相消”輻射是一種典型的“陰陽相互作用”，由此能產生一系列許多重要的生物物理學效應，就如經典中醫(yī)藥學理論中由陰陽相互作用可產生一系列許多生理學效應一樣。

（二）基于生物光子輻射相干性形成的生物光子合作輻射和合作效應，生物光子輻射的相關參數在體內可產生一系列奇特的動力學演化和運算，并呈現出一系列奇特的性質及其生物物理學效應，已有的研究包括：（1）對激發(fā)因素有一個相當長的“弛豫時間”而導致延遲發(fā)光，這是生物光子輻射的一個重要特征，而這一特征則可能是生物系統(tǒng)對外來刺激進行安全響應和適應的生物物理學機制。根據延遲發(fā)光方程，決定延遲發(fā)光的三個主要參數（初始強度、特征時間和一個特別的指數因子）與生物系統(tǒng)的內在性質相關，應是由遺傳決定的。（2）合作輻射系統(tǒng)的哈密頓包含了生物光子的湮滅和產生的算子，成為決定生物光子合作輻射系統(tǒng)哈密頓的重要演化和運算控制因素。（3）合作輻射系統(tǒng)的哈密頓（H）在數學的意義上可形成四個正交歸一的本征態(tài)，這一本征態(tài)中充滿著豐富的陰陽要素及其相互作用，例如分別在高、低能態(tài)的光子；各能態(tài)輻射場對應的∣1+＞和∣1-＞對稱和反對稱態(tài)及其正交性，而這又與生物光子輻射的超、亞輻射相對應，相互糾纏在一起，這就正如經典中醫(yī)藥學陰陽學說中關于“陰陽之中復有陰陽”的理論。（4）在生物光子輻射及其相干過程中，存在一種反對稱態(tài)（∣1-＞），也就是相消輻射（亞輻射）和相消干涉優(yōu)勢的機制，這一機制不僅決定并形成生物光子輻射相干的非線性動力學演化，而且也決定生物系統(tǒng)的生物光子存儲能力。已有研究證明，在許多應激的條件下，生物系統(tǒng)會發(fā)生與理想反對稱態(tài)的偏離，從而導致其非線性動力學演化的一系列動力學改變，這是生物系統(tǒng)在量子水平存在并普遍利用的一個量子病理學機制，而這顯然與經典中醫(yī)藥學關于“陰陽失衡是所有疾病發(fā)生的基礎”的理論是完全一致的，由此可以引導我們將經典中醫(yī)藥學的病理學理論與量子病理學融合起來。

（三）由生物光子相干性形成的非線性動力學演化是決定生物系統(tǒng)品質的重要基礎，而由生物系統(tǒng)的“共振腔”模型［13］，生物系統(tǒng)的非線性動力學品質可以由一個品質因子（Q）加以度量，而Q唯一的依賴于生物光子的相干性時間，這也決定了生物系統(tǒng)對生物光子的存儲能力，而這可以成為我們在量子水平基于生物光子輻射相干性研究經典中醫(yī)藥學陰陽學說的一個生物光子學模型。

（四）生物光子輻射的相干態(tài)具有疊加性，而由這種疊加性能夠形成新的輻射場態(tài)（∣ψ＞），在這些新的輻射場態(tài)中存在著豐富的量子干涉作用和效應，而這一量子干涉作用同樣具有相長抑或相消兩種類型。研究證明，輻射場態(tài)中的量子干涉是采取相長抑或相消的方式取決于∣ψ＞方程中的位相因子。對輻射場態(tài)的進一步研究表明，量子干涉只發(fā)生在成對相干態(tài)之間?？梢?，在生物光子輻射的量子干涉中，同樣存在豐富的陰陽相互作用。

以上，我們粗略地討論了生物光子學和生物光子輻射的相關問題，并比較性地提出了在生物光子輻射中存在的那些豐富的，且與經典中醫(yī)藥學陰陽相互作用理論相似或一致的一些問題。這些問題的發(fā)現和提出毫無疑問是具有引導性的，它將指引我們將經典中醫(yī)藥學的陰陽相互作用理論與生物光子輻射中的“陰陽相互作用機制”進一步關聯起來，而由這樣的關聯可以進一步引導將生物光子學的理論及技術應用與臨床醫(yī)學中，從而建立起關于疾病以及疾病診斷和治療的全新理論和方法。例如，基于生物光子輻射的空間和時間相干性及其動力學演化將經典中醫(yī)藥學“證及其辨證”方法定量化，再例如以生物光子輻射的空間和時間相干性及其動力學演化作為篩選新藥，特別是基于中藥和方劑篩選全新藥物生物物理學模型，而這將助生一個新的藥理學分支，即生物物理藥理學（biophysics pharmacology）的誕生等。對于這些極有興趣的問題，我們將另文深入的予以揭示和討論。

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（文/馮前進 圖/馮前進 劉潤蘭）