生物体的电磁场及其作用

人类最早是通过某些鱼的放电现象认识生物电的，例如，电鰻放电时可输出350V的电压和0.5~0.75A的电流。早在公元前3世纪，古埃及就曾记载过鱼的放电现象。大约公元前3600年，在医学上己开始了磁的应用。到了18世纪后半叶，人们用实验证明了动物体内存在生物电现象，19世纪上半叶又认识了神经和肌肉细胞的静息电流。1888年，Waller首次得到了人的心电图。10年后，人们又认识了大脑皮层电位，于1924年，Berger建立了人的脑电圈。如今人们己熟悉生物电现象，心电图和脑电图在医学上得到了广泛应用（Bischof M，1994）。

近十多年来，人类对生物电磁现象有一些新的认识。1992年Kirschvink等（Proc Natl Acad Sci USA，1992）发现了脑组织中有小磁体，用电子显微镜观察了它们的结构。还有人（Albrecht-buehler G，1992）报道了细跑间可以借助光（也是电磁场）进行通信；同一棵西红柿植株的不同叶片间有电信号的传递（Wildon DC，1992）。这些都表明活生物体的电磁场可能起着很大的作用，它们对生物体有较重要的意义。那么，什么是生物电磁场？它们是怎样形成的？它们有什么功能？它们的存在有什么意义？这些都是今后要回答的问题。

一、生物体内的相干场

1968年Fröhlich（Int.J.Quant.Chem，2）提出，由于细胞膜的偶极性和生物大分子中某些键（例如氢键）的反复出现，以及非定域电子的存在，生物系统可能具有一群纵向电振荡子，它们的频率在10^11~10^12肘。假如能量供给超出了一定的平均速率，它们将达到一个准稳态，每个振荡子都极强地受到激发，所供给的能量不完全转变为热，而以高度有序的方式储存，表现为长距离的相位相关性（long-range phase correlation），即生物体的相干性（Coherence）。Fröhlich提出的能量供给方式在生物体中是可以实现的，这说明活生物体可期望具有相干的微波场。有人曾测得酵母细胞在分裂时产生的电磁场频率达5~80MHz；鸟类和哺乳类细胞在分裂时产生的电磁场的频率为1~30kHz（Hyland G J，2003）。生物体的电磁场是怎样产生的？微波是怎样发出的以及它的作用是什么，这些都有待进一步的研究。

自从生物的微弱发光现象在上世纪二三十年代被前苏联科学家Gurwitsch发现以来，各国学者利用不同的生物材料已广泛证实了活生物体能发出弱光子，其波长从200~800nm甚至到红外波段，强度从几个到几百个光子s^-1·cm^-2，被定义为生物光子。目前生物光子发射现象已被公认，但对于它的解释却有两种截然不同的观点：一派学者认为它是由激发态回到热平衡态时发出的光子，一些具高反应活性物质，如自由基、氧化剂是光子的来源：另一派学者，如德国的Popp（国际生物物理研究所）在20世纪70年代初开始，对生物体的弱光进行了系统的研究，提出生物体内的弱光子起源于体内的非定域的相干电磁场（Popp F A，Li K H等，1992），即生物体发出的弱光子是由体内相干的电磁场调节的，同时生物体内的光子场也是生物通信和生物功能的调节者。现已有大量实验结果证实：①生物光子计数统计分布服从泊松分布：②当活的生物体被外来光照射后的再发光的衰减过程服从双曲线规律而不服从指数规律，说明生物光子场处于相干态，表明生物光子发射来自生物体内非定域的相干电磁场。

笔者自1993年以来与Popp等人合作从事生物光子和生物通信研究，于1995年利用符合测量方法观察到生物光子的亚泊松和超泊松分布，曾于1997~2001年间在国际生物物理研究所（在德国的Neuss）学术年会上先后四次报告过这些实验现象，它们表明生物体发压缩光（Popp F A，Chang J J等，2002）。这进一步说明生物体内的电磁场，尤其光子场在细胞通信和生物调节中的重要作用。上述的一系列实验结果提示我们：地球上生命在长期的进化过程中学会和利用量子机制调节自己，这可能就是生物体内电磁场存在的意义。

二、生物体电磁场的作用

广义地说，活生物体内的电磁场包括体内的电场、磁场、电磁场和光子场，有静场，例如细胞膜电位：有低频场，例如心电（1~1.5Hz）和脑电（1~35Hz）。它们各自都在一定的范围内起作用。到目前为止，愈来愈多的证据说明活生物体内的光子场处于高度的相干态和压缩态，它们的作用尤为重要。相干态和压缩态都是海森伯不确定度最小。相干态是在这样一个特殊点上，波动粒子的波动性和它的粒子性相等，这是一个非波非粒子的临界态，这个状态对外界环境是最敏感的，子系统间建立或享有这个状态就是建立了量子通信的基础。压缩光的量子噪声理论上可以为零，如果用来通信，其信噪比可达到无限大，并且可以转播到无限远，这是光通信的最理想的方式。

生物光子场在细胞间通信的作用己被实验证明。将两个被测样品（双鞭藻培养物）分别放在样品室A和样品室B中，两个样品室间装有闸门，当闸门打开时，这两个样品处于光相通（即互相看得见）状态，当闸门关闭时，则两个样品处于光不相通（即互相看不见）状态，两个光电倍增管分别记录两个样品的光子发射。用许多样品进行测量所得到的结果是一致的，当两个双鞭藻培养物处于光相通状态时，显示出较多的同步闪光，关上闸门同步闪光立刻减少。这可能是由于当两个双鞭藻群体处于光相通时，由于它们发光的相干性，最后建立了相减干涉，对外来的任何干扰反应极为敏捷，并且被任何一个同时感受到，都会同时反应出发光的增加，即同步闪光（Popp F A，Chang J J等，1994）。

上世纪80年代以来，人们对外界电磁场的非热生物学效应进行了许多研究，这对回答生物体电磁场的作用有一定的启发。这里只举几个例子：①几乎所有的电场、电磁场都引起细胞跨膜电位的变化，进而引起一系列其他变化。如离子通透性的改变、膜蛋白，（包括酶）、膜受体的变化和引起信号跨膜传导。②引起细胞内Ca2+从细胞内钙库中释放。尽管细胞信号通路中IP3是否参加了这一过程尚有争议，但Ca2+从钙库中释放是被证实的。有些细胞在外界电磁场作用下细胞质内Ca2+发生振荡，形成钙波。③越来越多实验己证明：电磁场，包括光子场能影响细胞的基因表达：一定的电磁场处理能引起肿瘤细胞的凋亡，说明外界电磁场能直接或间接作用于细胞核中的DNA分子。什么是电磁场的生物效应机制？从能量角度看，那些无法产生任何效应的极弱电磁场怎样引起生物效应？这些都是目前尚不清楚的问题。

从经典的角度光的相干'性定义为其位相关系保持不变，是以光子场的相干时间量度的。一个混沌光子场的相干时间大约为10^-9~10^^-6s，以10^-9s计算，光在这段时间内能运行10cm，这个距离远比细胞大得多。由此看来，即使是混沌光对像细胞这样的生物结构来说也是相干的。高度有序性的精细结构是生物体的特点之一。细胞按一定方式排列组成组织和个体，电细胞内的各种生物大分子组织起来形成具有不同功能的结构。由于生物微细结构的高度有序的重复，各种亚单位与光的波长相比却小得多，它们对几百纳米波长的光是致密的物质，足以引起入射波的干涉。Popp和张（中国科学C，2000，30）提出了生物体与电磁场相互作用的干涉模型。以细胞为例，当极弱的电磁场与细胞发生作用时，由于细胞的精细而有序的结构，例如生物膜的双层，DNA分子的相邻碱基对的距离远远小于外场的波长，它们如同非线性可极“双层”，使反射波与入射波在细胞外形成相减干涉，而同时在细胞内形成相加干涉，干涉花样控制着生物的自组装、细胞分化、生物发育、肿瘤发生，它们是生物功能的控制者和调节者。

生物结构是凝聚的物质，生物结构的作用像激光物质。生物结构如同非线性晶体一样，使通过它们的某些光成为压缩光。生物大分子是由碳、氢、氧、氮原子组成的复杂结构。DNA分子的双螺旋长链结构及DNA分子与蛋白质分子所形成的复合体的高度螺旋结构和蛋白质的三维空间结构，有可能为某些基团提供电子数的反转的电子能级条件，从而为实现受激辐射提供了可能。在这样的系统中的被激发的电子（这是经常发生的）暂时存储在亚稳态的能级中，并不是受热力学规律的驱使而立刻回到它的基态，即热平衡态，而是远离热平衡态的暂时平衡态，称准稳态，实际上是一种激发态。只要有能量（例如受到光激发）满足一定的条件就有光辐射，像激光发生一样。由于在活生物体内有充分的能量供给，上述过程是可以发生的，与物理上凝聚的物质不同，生物结构是活的。

中国科学院物理研究所李科学和Popp提出：DNA分子是相干的生物光子场的光源可能性最大（Popp F A，Li K H等，1992）。可以把DNA分子比作激光发生器，当它受到其他形式能量激发时（这在活生物体内是经常发生的）能发出相干光子。染色质和染色体是细胞核中DNA分子存在和实现其功能的结构。人类的体细胞DNA分子总长度为2m，平均每条染色体的DNA分子长度大约为5~8cm，在直径为5~10μm的细胞核里必须经过包装，在长度上压缩近1万倍才能被容下。就是不形成染色体，在染色质中DNA分子也被压缩了近1700倍。DNA

分子碱基间的距离是3.4Å，在染色质和染色体中DNA分子中的碱基形成了有序的堆积，并在与蛋白质分子形成复合物时，又形成了碱墓和某些氨基酸，尤其像与色氨酸、络氨酸、苯丙氨酸等基因的堆积，这些都为实现受激辐射中电子数的反转提供了可能。核酸的双螺旋长链的作用就像激光发射中的谐振腔一样，由于生物体的新陈代谢提供了足够的能量，一旦有一个光子作为信号激发了这个系统，便会得到放大，发射出相同波长、相同位相的相干光子。人类基因组计划己揭示出人类细胞单倍体基因组中的DNA总量共有30亿碱基对，而其中只有3万~4万个负责蛋白质氨基酸编码的结构基因，只占DNA总量的1%~1.5%。那么，其余的DNA（含有大量的重复序列）起什么作用，它们可能是产生相干的生物光子场不可缺少的条件。

在细胞内DNA的复制和转录，以及蛋白质的合成过程中有许多酶和蛋白质分子等参加调控，如果问它们为何能起到调控的作用，可能要想到生物光子场的作用。蛋白质的三维空间结构对其生物活性具有重要意义，酶失去了空间结构就失去了活性，说明生物光子场在其中的作用。在细胞信号传递过程中也可能有生物光子场的作用。细胞外信号传入细胞并在细胞内逐级传递有多种通路。比如在cAMP通路中的大致过程如下：细胞外信号分子与细胞表面受体结合时，受体分子受到剌激而激活，活化的受体分子再激活与其偶联的G蛋白分子，活化的G蛋白分子再激活腺昔酸环化酶，它使第二信号物质cAMP增加而导致蛋白激酶A的激活，被活化的蛋白激酶A再经过几步达到调节基因的表达。如此一级一级地传递（活化）是怎么实现的？可能是通过光子进行的，可能只是让光子把信息传递过去。实际上这里的光子场（包括细胞核里的）能及时地得到信号分子与细胞表面受体结合等一系列的信息。参加植物光合作用的色素不只一种，而有两种以上，同时这些色素分子与蛋白质分子及其他的分子形成复合物。叶绿体中的叶绿素分子又分为扑光叶绿素和反应中心叶绿素，前者只能吸收光能，没有化学反应特性，又称为天线色素，每一个扑光色素分子将所吸收的光能通过“共振”传递给反应中心叶绿素（这是现在公认的说法），实际上可能是通过光调节整个光合作用过程。

三、生物物理学的新课题

50多年前，在LawrenceBragg领导的卡文迪什实验室里，沃森和克里克建立了DNA分子结构的双螺旋模型，Perutz和Kendrew利用X射线衍射法首次完成了蛋白质空间结构的测定。这两项成就奠定了近代分子生物学的基础，于1962年获得诺贝尔奖，开创了生物学的新纪元，对生物学各学科产生了深刻的影响，同时也为物理学与生物学的结合树立了典范。

从DNA双螺旋模型的建立到现在的半个世纪中，生物学各学科，尤其分子生物学得到了飞速的发展，获得了许多新的成就，对生命现象从分子水平上进行了阐明，然而科学总是要向前发展的，还有不少问题需要我们去探究。如从DNA的复制到蛋白质合成的整个过程是有序进行的，它是由什么作用调节的？为什么癌基因有时表达有时不表达？蛋白质大分子是边合成边折叠而形成空间结构的，然而蛋白质大分子自己是不能完成折叠的，为什么蛋白质分子自己不能折叠呢？是什么作用驱动它完成折叠的呢？很自然地会想到生物体内的电磁场，尤其高度相干的光子场可能是生物功能的调节者，体内的生化反应可能也是由它们而调节的，但具体的机制如何，尚需深入研究。

地球上的生命经过了漫长的进化过程才发展到今天的状态。在这长期的进化过程中生物体可能己学会利用这样的调节机制。如何根据物理学的规律结合生命的特点来研究生物体的电磁场（包括光子场）的性质和作用是一个新课题，对它的研究可能将对认识生命本质做出新的贡献。

张锦珠，1937年5月生于辽宁省营口市，中国科学院生物物理研究所研究员，国际生物物理研究所（在德国）主席。1963年中国科学技术大学生物物理系毕业。1980-1982年为欧洲分子生物学实验室（Heidelberg，德国）访问学者。曾任中国科学院生物物理研究所细胞生物物理研究室主任和研究所学术委员会委员，中国细胞生物学会亚显微结构专业委员会委员，《生物化学与生物物理进展》编委等职。1990年以来一直承担国家自然科学基金和“863”航天领域项目。主要研究领域：生物物理学、生物电磁学、生物光子学和航天生物学、细胞生物学、生物结构和生物医学电子显微镜学。在上述领域发表的论文得到国际广泛引用。

宋文淼，1938年5月生于浙江宁波。1962年毕业于清华大学无线电系，1966年毕业于中国科学院研究生院。现为中国科学院电子学研究所研究员，博士生导师。中国电子学会电波传播分会副主任委员。