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链贰
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1 评述 3 生命体吸收的红外光的非热生物效应的研究庞小峰电子科技大学高能电子学研究所生物物理 Π 生物电子学重点实验室成都中国科学院国际材料物理中心沈阳摘要文章描述了由分子水解释放的生物能量传递的新理论的物理和生物学基础它的载流子是酰胺键振动量子在与氨基酸残基振动相互作用时在非线性作用下自陷而成的孤子与孤子相反这个在生理温度下热稳定的孤子在生物过程中扮演重要角色利用模型哈密顿量! 二次量子化法和蛋白质的参数值求出了它的振动能谱它与红外吸收谱! 手指的红外发射谱和激光拉曼谱吻合从这能谱可知蛋白质分子能吸收波长为 ) Λ 和 ) Λ 的红外光后者能导致蛋白质分子中的酰胺键的振动从而促使生物能量沿蛋白质分子传递使生物组织健康生长由此也可以说明红外线的医疗功能这是红外线的非热生物效应关键词红外光非热生物效应和医疗功能能谱蛋白质孤立子生物能量传递 ΝΟΝ2ΤΗΕΡΜΑΛΒΙΟΛΟΓΙΧΑΛΕΦΦΕΧΤ ΟΦΙΝΦΡΑΡΕΔΛΙΓΗΤ ΑΒΣΟΡ ΒΕΔ ΒΨ ΛΙς ΙΝΓ ΣΨΣΤΕ ΜΣ 2ƒ Ινστιτυτε οφ Ηιγη2Ενεργψ Ελεχτρονιχσ Υνιϖερσιτψ οφ Ελεχτρονιχ Σχιενχε ανδ Τεχηνολογψ οφ Χηινα Χηενγ δυ Χηινα ανδ Ιντερνατιοναλ Χεντρε φορματεριαλσπηψσιχσ Χηινεσε Αχαδε μψ οφ Σχιενχεσ Σηενψανγ Χηινα Αβστραχτ ƒ ) Λ ) Λ Κεψ ωορδσ 2 2 所有生命体包括人和动! 植物都生活在客观环境中常受外场如光红外光和电磁场等的作用研究表明它们对生物组织的形成和发育与生物信息的调制等有着重要作用即它们对生命体的结构和功能与健康有极大影响现在人们已知道包括人在内的一切生命体不但能吸收而且能热辐射一定波长和强度的红外光自古以来医生常采用火罐等技术来治疗一些疾病到现在包括红外灯! 红外衣! 红外裤! 红外带和各种热辐射器在内的红外仪和红外器卷年期件作为医疗和保健仪器在商店里大量出售在医院和家庭中大量使用临床实验证明有些仪器确有一定的医疗效果但有些仪器却没有什么作用这是为什么呢人们至今不能正确回答要清楚回答这个问题必须解决以下一些问题红外线的生物效应是什么 3 国家自然科学基金批准号资助项目收到初稿修回 # #

2 能起生物效应的红外线的波长! 强度和频带是多大在生命系统中什么生物组织中的什么成分吸收了这些红外线这种效应是一种热效应还是非热效应这个生物学过程和红外线的医疗功能有何关系,, 显然这些问题不但非常有趣而且很重要同时也是难以解决的但是由于最近十多年以来生命科学的迅速发展和许多新的科学概念引入到生命系统中这些问题可能得到解决在这篇文章里我们将简单地描述用已提出的生物能量传递的新理论和非线性物理理论对这些问题进行研究图蛋白质分子的形成和空间构象组态蛋白质的分子结构及生物能量传递的机理及理论要解决这个重要问题得首先认真研究蛋白质的分子结构和生物功能这是由于所有生命体包括细胞从分子水平上讲都是由蛋白质和组成的是遗传物质主管生命的遗传特性而蛋白质分子的一个生物功能就是输送生物能量使肌肉发生收缩并使的复制变成可能显然上述问题与蛋白质分子的状态和结构变化相关所以我们应当对蛋白质分子的结构特性和功能作深入研究现代科学研究表明蛋白质是一个固有的非线性系统要说明生命体的生物能量传递的机制和特征以及吸收红外光所产生的生物效应等问题必须使用非线性理论并从蛋白质的分子结构出发来计算蛋白质分子的能谱分布下面首先来研究蛋白质分子传递生物能量的机制和特征众所周知各种蛋白质分子都是由多种不同图 Α 螺旋蛋白质分子的结构特性氨基酸组成的而后者又是由氨基和羧基分子的空间组态是 Α 螺旋形和 Β 片但其结构常以及粘附于 Α 碳原子上的侧基组成的侧基对于不同的氨基酸是不同的两个氨基酸分子结合在一起释放出一个水分子靠肽键连结成一个长链组成了蛋白质的一维结构由于能量极小化的要求随机组态为标志对于蛋白质来讲其活性和功能的能量供给主要由附着在蛋白质分子上的三磷酸腺苷分子所发生的如下的水解反应时所释放的 1 能量长链分子折叠而成具有 Α 螺旋结构! Β 片和球形等 ψ 三种不同的三维空间组态或构象如图所示在 Α 1 螺旋结构中三条多肽长链沿纵轴方向缠绕靠其中的氢键支撑而成为三维的螺旋形构型如图所示在 Β 片中长链 / 编织 0 成长带在球形组态中长链无规则地折叠而成为近球状在一般情况下蛋白质能产生生物能量的生化反应还有糖酵解! 葡萄糖的有氧和无氧氧化等研究表明这个能量主要用于肌肉收缩和复制等生物学过程以促进生物的生长和发育但水解作用释放的生物能量是 # # 物理

3 如何传递到生物组织和细胞核内的引起肌肉的收缩和的复制的呢这是生命科学一个极其重要并且长期未解决的大问题与此相关的问题还有这个能量是通过一个非平衡态过程而被使用呢还是平衡和转化为满足经典热力学关系呢研究表明一种可能的能量传递机制是这个能量可以转变为蛋白质分子内的振动激发而一个像样的共振交换的吸收者仅能是在其中与特殊结构氢键相关的酰胺键的振动这种振动的实质上是肽群的键的伸缩运动但酰胺键的振动是非常复杂的存在各种振动模式于是非常有必要去计算酰胺键或蛋白质分子的量子振动能谱的分布红外吸收的实验表明酰胺键振动的一个基频的波强度是 1 这个能量近于水解放出的能量的一半刚好等于的弯曲模能这就暗示了上述激发可能是通过水的中间激发来进行的对于不同类型的蛋白质分子酰胺键振动是它们的拉曼散射谱和红外吸收谱的一个基本特性几乎是不变的这表明它与其他自由度的耦合是相当弱的以上所有事实导致了这样一个设想由水解所释放的能量可以局域地存储在酰胺键的振动状态之中年纽约科学院举行的生命科学问题的讨论会上对此问题作了广泛讨论有人提出了异议认为在蛋白质上出现的这个典型振动的寿命太短大约为以致对生物学过程无多大意义具体来讲每一个肽群氨基酸残基大约有 1 ) 德拜的大的电偶极矩于是相邻氨基酸残基之间的偶极偶极相互作用可以将这个能量从一个氨基酸残基传递到另一个而不能局域地停留下来并会在生物学过程中以热形式损失掉但是这里没有考虑这种分子内部激发会引起所在的氨基酸残基的构像畸变从而引起后者的低频声学振动与分子内部激发的耦合作用这种作用所导致的非线性相互作用会使酰胺键的振动能量局域化这个问题在年由前苏联科学家首先注意到他暗示这个振动能量传递可以通过这个振动激发和氨基酸残基的结构畸变振动的非线性相互作用而局域化这种激发和畸变的相互平衡形成了孤立子由于孤立子的特性它可以携带此生物能量从一个地方沿蛋白质分子保持形状! 能量! 动量和其他准粒子特征不变地传到另一个地方在 Α 螺旋蛋白质分子上给出了这个思想他提出的理论揭示了生物能量以孤立子形式沿 Α 螺旋蛋白质分子传递的特点对于这种生物卷年期能量传递的机制现在可以概括叙述如下水解作用释放的生物能量引起了键酰胺键的伸缩振动由于酰胺键振动量子激子与晶格声子的相互作用会引起了氨基酸残基的位移和螺旋结构的畸变再通过与低频声子的相互作用畸变的螺旋形晶格作为一个 / 势阱 0 去自陷酰胺键振动量子或激子的能量以防止它的色散再经相邻氨基酸残基间的偶极偶极相互作用使局域的生物能量以孤立子形式从一处传递到另一处这称为生物能量的自局域或自陷机制在蛋白质的螺旋结构中纵向的氢键肽群链的序列是,,,, 其中的点线是氢键在这个分子链中描写它们之间的相互作用的著名的哈密顿量是激子的能量! 氨基酸残基的低频振动能量和它们之间的线性耦合能量之和即 Η Η Η Η 2 Ε Β ι Βι ι ϑ Β ι Βι Β ι Βι 2 ι Π ι Μ Β υ ι υ ι ς 2 ι υ ι υ ι Β ι Βι 他用包含有一个激子的单粒子激发态和声子的相干态的乘积的简单线性组合来表示由这些相互作用所形成的状态由这种哈密顿量和波函数所决定的激 ) 子动力学方程是非线性薛定谔方程这表明由于同低频氨基酸残基振动的相互作用这个激子通过自陷机制形成了孤立子由于这个理论涉及到生命科学的一个重要问题至此对于这个理论的正确性和自洽性孤立子的特性和热稳定性和检测方式等方方面面的问题国际上众多物理学家! 生物物理学家! 分子生物学家和计算机专家进行了长达多年的研究发表了数百篇论文和几本专著但等人的研究表明该理论太简单孤立子在生理温度下的寿命太短大约为 ) 即大约是热不稳定的在这个寿命期间孤立子只能传递过几个氨基酸残基从而在生物 ) ) 学上没有多大实用价值到目前为止已有一些新的模型被提出其中本文作者在理论基础上经过多年的深入研究提出了一个引人注目的小极化子振子孤立子新模型在这个模型中系统的哈密顿量用了一个非线性的小极化子模型来表示不但全面考虑了模型的相互作用能而且考虑了相邻酰胺键 # #

4 之间的相互作用导致的氨基酸残基位置的相对改 ) 变对于这个模型哈密顿量我们将它表示成 Η Η Η Η 2 π ι ι μ Ξ μρ ι Ξ μρ ι ρ ι 2 Π ι ι Μ Β υ ι 2 μ ς υ ι υ ι ρ ι ι υ ι μ ς υ ι υ ι ρ ι ρ ι 这个系统的波函数用包含有一个振动量子的准相干态矢波和声子相干态的乘积的线性组合来描述其结果是较成功的孤立子寿命在时较长可达左右也是热稳定的最近一段时间围绕理论本身许多人作了一些重要改进方向都集中于波函数上理论上预示了包含有多于一个量子或激子的状态波函数的自陷理论可使孤立子在有高的热稳定性这当中有等人的激子相干态! 等人的激子波矢!ƒ 等人的激子单粒子激发态波矢! 的新的激子本文作者证明了实际上它是激子单粒子激发态等本文作者严格证明这些波函数对蛋白质分子都不适合其相干态违背了系统的激子数守恒的原理多激子和激子的单粒子激发态不能表示有序蛋白质分子的集体激发态所具有的相干态特性模型孤立子特性非线性作用力孤立子的振幅数值并与声子的相干态不协调因为由同一非线性相互作用导致的集体激发应具有相同的特性同时相干态和多激子态与水解作用释放的能量仅能激发两个激子的生物学事实相抵触对此最近本文作者提出了包含有个激子的准相干态和声子相干态的乘积的线性组合的新的状态波函数并把式改写为 Η 2 Ε Β ι Β ι ϑ Β ι Βι Β ι Βι ι 2 Π ι ι Μ Β υ ι υ ι 2 ς υ ι υ ι Β ι Βι ς χ υ ι υ ι ι # Β ι Βι 表孤立子与我们的模型孤立子的特性比较孤立子的宽度孤立子束缚能 Β ι Β ι 在年的和年的上用了相当于中文万字的两篇长文章对这个理论作了详细和全面地阐述并对孤立子的热稳定性和在时的寿命作了详细计算研究结果表明在生理温度时是热稳定的其寿命约为多即左右在此时间内孤立子可传递过大约多个氨基酸残基从而使这一系统的孤立子能够在生物学过程中扮演一个重要角色我们的结果和理论的结果示于表中可见两者有明显差别因此这个新理论引起了人们 ) 的广泛注意在时孤立子寿命在寿命期间孤立子运动过的氨基酸数在时孤立子的热稳定性孤立子的临界温度我们的模型 ) 几百至千稳定左右模型 ) 几个不稳定蛋白质分子的量子振动能级分布计算及特点为什么我们在前节要花很多精力去介绍生物能量在蛋白质分子中传递的孤立子理论呢它与我们这里研究的主题有何关系呢简单说上述研究使我们找到蛋白质分子的红外吸收的生物学效应的机理从上面的介绍我们知道酰胺键基频或键的基础振动的能量 1 所对应的波长刚好是处在红外谱段之内实际上在该类蛋白质分子中有孤立子 ) 存在的一个重要证据就是从等人近十多年对类蛋白质分子如乙酰苯胺等所作的红外吸收的实验结果这样一个事实启发我们蛋白质分子吸收的红外线可引起键或酰胺键的振动于是我们只要计算出酰胺键的振动能谱便可研究生物体的红外吸收特点显然这种计算必须从上述的模型和我们的模型的哈密顿量出发建立起计算能级所需要的量子哈密顿量再用非线性量子理论求出其非线性量子哈密顿量对应的本征能谱来从以上哈密顿量式和式出发运用半径经典半量子的索末菲方法引入运动模型的复数振动幅 Α 和使用变分法可求出此系统的动力方程它是分立的非线性薛定谔方程 ϕ 5 Α 5 τ ΜΑ Χ Α Α 这里 ϕ Α Α μ 就是所研究的酰胺键振动 μ 个振动模相应 # # 物理

5 的复态矢! Α 表示非线性的对角矩阵 Α Α, Α μ Μ 是 μ μ 阶实对称矩阵再用二次量子化方法将 Α μ 用相应的产生算符和消灭算符 Β μ 和 Βμ 表示出来则其蛋白质分子链所对应的量子哈密顿量算符为 Η Ξ Χ Ε Β μ Βμ μ ϑ Ε Β μ ΒΑ μ Ξ Α Χ Ε Β μ Βμ Β μ Βμ μ 这里取其能量和频率的单位都为 Χ 是非线性相互作用常数利用本征方程 Ην Χ ν Ε ν Χν Χ ν Χ Χ, Χ δ ν 和 Α 螺旋蛋白质分子的物理参数公认的实验值 Β ) 1 Π Μ 1 ) 1 ς ) ϑ 1 ς χ ) ρ 1! Ε 1 可求出计算所需要的参数值从而可求出蛋白质分子 ) 振动的量子能级在一定近似下从式和式的哈密顿量都可得到如式和式的结果仅是其中的各参数的具体表示式不一样由模型和我们的模型所求出的能级值及相应的实验数据列于表 ) 应当说明在上述计算中对蛋白质分子我们仅使用了一个简单的模型即只考虑了同一分子链中的个不同振动模实际上蛋白质分子有多个振动模同时 Α 螺旋蛋白质分子是由条链组成的若考虑它们之间的相互作用和相应振动模会使求解蛋白质分子的振动能谱变得十分复杂但会使得到的能谱更加精确些它可能使带状能谱中的能级变密简并增多甚至可能使带状能谱变得近似连续但因这些要增加的振动模较弱链间相互作用也小它们对蛋白质的能谱影响较小所以我们在这里未作繁杂计算为使其物理意义简单明显上述能谱也是可用的从表可知理论值与由红外吸收和拉曼散射实验得到的值基本是一致的 ν 的激发态的红外吸收谱的实验结果示于图中它的强度随温度的变化规律示于图这些实验结果是由等人在有机晶体 ))) 乙酰苯胺 ) 中得到的这是一种类蛋白质分子的有机分子晶体两者的基本单元的比较示于图中由于这两种物质的纵向氢键链结构和基本单元的几何结构的一致性由这种红外吸收机制决定的红外吸收谱对蛋白质来讲是可信任的表的理论与实验值的一致性表明以上所使用的计算模型是正确的同时从表也可以看出我们的模型比模型得出的理论结果与实验值更相近卷年期表蛋白质分子的振动量子能谱单位序号类型实验值 3 计算值 3 计算值 ) 实验值来源于参考文献 ) 3 是模型的计算结果 3 我们的模型的计算结果另外从表的能级分布可以很方便地看出蛋白质分子能级分布的特点对于同一个主量子数 ν 对应着多个不同能级随着 ν 的增加能级之间的间距越来越小蛋白质振动呈现出强烈局域模图像能级的局域模简并在 ν 的高激发态时出现利用表的数值可以给出蛋白质分子由能级跃迁所产生的辐射谱线 ν 的条辐射谱线示于图中非常奇怪的是这些谱线与等人从大肠 # #

6 杆菌所得到的激光拉曼谱的条线十分接近后者示于图中这是一个十分令人感兴趣和有意义的结果因为迄今为止还没有人从理论上完整地解释过等人的这个实验结果它表明图中的拉曼谱是由大肠肝菌的染色体中的蛋白质分子产生的同时也表明表列出的蛋白质能谱是可信的和可利用的图蛋白质分子链在 ν 时的能级分布和相应的辐射谱线图在类蛋白质分子的乙酰苯胺的第一激发态的红外吸收特性图由得到的激活的大肠杆菌的激光拉曼谱红外线的生物效应和医学功能图蛋白质分子和乙酰苯胺的基本单元 ))) 肽群的几何结构的比较表的结果告诉我们即通过酰胺键的振动蛋白质分子能够而且也只能吸收或发射出 ) 1 Λ 和 ) Λ 波长和强度为 1 1 和 1 的红外线这是值得认真注意的新结果这些结果是可信的因为这个结果正和作者与王永国用红外光探测系统和多通道仪器实际测量的人的手发射的红外光谱基本相吻合我们测出的结果示于图中从图可知人和其他动物确实可发射这一波段的红外线在生命体的红外吸收的问题中现在要知道的是蛋白质分子吸收了这样的红外线后会引起一些什么 # # 物理

7 分子吸收皮肤对红外线的贯穿特性示于图中从图可见 ) Λ 的红外线是可穿过皮肤的特别是 ) Λ 的红外线的贯穿系数很大图实验测得的人的手指辐射的红外谱生物现象呢从以上的生物能量传递机制和特点及一系列的研究结果看出吸收的红外线可以引起蛋白 ) 质分子中的酰胺键键的量子振动从而可使生物能量顺利地从一处传递到另一处使生命体处于正常状态保持生命体的生长! 发育及健康显然这种生物效应是红外的非热效应通常维持生命系统正常运行的生物能量是由的水解提供的但是一旦分子或酶的水解需要酶的参与或水不足或者蛋白质的结构和构象改变或畸变等等原因便可使提供的生物能量不足以引起酰胺键的正常振动或生物能量不能正常传递生物组织在得不到足够能量时便不能正常生长会诱发出各种疾病在这种情况下若能用具有上述波长的红外线照射并能被蛋白质吸收就可以使蛋白质分子恢复正常和正常传递生物能量从而可能使生物组织从病态恢复到正常状态使疾病得到治疗因此红外线对生物包括人有重要的生物效应和医学功能在红外线医疗仪的临床试验中也证明对生物体或人有一定医疗效果的红外线也正好是在此波长范围内即 1 ) 1 Λ 和 1 ) Λ 这就是红外线的非热生物效应和医学功能的机理的简单描述当然红外线的非热效应还应包括它引起的一些生化反应同时它对人和生物体也有热效应这种热效应可以促进血液的循环和新陈代谢从而使人的疾病得到医治或促进人的健康最后一个关键问题是红外线是否能贯穿皮肤进入到细胞膜和细胞内的细胞质中因为所有蛋白质分子都存在于细胞膜上和细胞质中我们的实验证明上述红外线波是可以透射过皮肤到细胞上被蛋白质卷年期图相对于入射强度的穿透皮肤的红外线强度与波长的关系参考文献 ). ) 2 ƒ ƒ 庞小峰非线性量子力学理论重庆重庆出版社 ) ƒ ± 2 ) ƒ ƒ ƒ 2 ƒ 庞小峰物理学报 ƒ # #

ƒ ετ αλ 庞小峰物理学报 ƒ 2 化学物理学报 ± ± ƒ 物理学报原子分子物理学报化学物理学报四川大学学报自然科学版 ƒ 2 2 2 ) ƒ 2 2 Π 2 2 ƒ ƒ χ 山东师范大学学报自然科学版 2 作者简介庞小峰男年月出生四川省西充人年毕业于中国科学院研究生院获数理部理学硕士现任电子科学大学高能电子学研究所教授!

8 ƒ ετ αλ 庞小峰物理学报 ƒ 2 化学物理学报 ± ± ƒ 物理学报原子分子物理学报化学物理学报四川大学学报自然科学版 ƒ ) ƒ 2 2 Π 2 2 ƒ ƒ χ 山东师范大学学报自然科学版 2 作者简介庞小峰男年月出生四川省西充人年毕业于中国科学院研究生院获数理部理学硕士现任电子科学大学高能电子学研究所教授! 生物物理 Π 生物电子学部级重点实验室负责人! 研究生导师兼任湘潭大学教授! 四川大学教授! 华东师范大学教授! 纽约科学院成员! 美国科学促进联合会国际成员! 中国高等科学技术中心成员和中国科学院国际材料物理中心的成员! 2 和评审人员等年和郭柏灵合作在科学出版社出版了国内第一本非线性科学专著 5 孤立子 6 年由重庆出版社基金资助出版了 1 万字的学术专著 5 非线性量子力学理论 6 年四川科技出版社出版专著 5 孤子物理学 6 在国内外刊物上发表近篇论文年与年关于 / 非线性量子力学理论 0 和 / 生命系统中的孤立子运动理论 0 与 / 生物能量传递新理论及应用 0 获国家部委和省科技进步一! 二! 三等奖 # 物理新闻 # 为什么生理节奏不是小时 χ 2 人们发现大多数生物的生物钟周期约为 ) 小时很少有生物钟正好是小时的种族这一点让人不可思议因为从光线的强弱和温度的变化来说种族的生物钟应该与地球自转的周期同步才便于与环境的协调并组织自身的日常活动为了研究这个论点日本大阪大学的物理学家设计了一个数学模型来研究具有不同生物周期的种族间的竞争在他的模型中有两点重要的假定首先他假定种族的繁殖率依赖于它的生物钟的时间与小时之间的差如正好是小时的话其繁殖率为最大因为这类种族在白天要受到紫外线的伤害其次他假定若一对生物钟周期比较接近的种族它们之间的竞争要比生物钟相差比较大的一对种族要利害得多这是因为这两个种族会在相同时间内进行觅食研究结果表明生物钟周期是小时的种族在竞争中处于最不利的情况其他时间周期的种族的竞争力要比它强这个模型还能显示出其他的生命节奏如动物的冬眠期等同时教授也指出自然灾害也会影响生物的生理节奏他希望能有生物的观测与实验来验证他的模型云中客摘自 # # 物理

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