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生命科学史，（美）洛伊斯·N·玛格纳 著，李难，崔极谦，王水平 译，百花文艺出版社出版。《生命科学史》一书，生动地描绘了生命科学起源和发展的过程。

全书共十四章，分别介绍了生物学的起源、古希腊的科学与哲学、文艺复兴时期的科学革命，以及解剖学、胚胎学、细胞学、微生学物、动物及人体生理学、进化论、遗传学和分子生物学的产生和发展，对西方医学史的内容也有所反映。书中以极为丰富的材料论述了许多生物科学家创造性的劳动，对生物学发展的逻辑和社会历史背景等等重要问题也进行了探讨。综观全书，内容充实，编排醒目，语言也饶有风趣。

本书以广阔的文化史为背景，它涉及人类一般文明，如古希腊的自然哲学家和科学家、文艺复兴时期的科学革命、欧洲早期大学的发展、科学社团的变迁，以及显微镜的发现、物理学和化学革命等等。

生命是什么?

（转载）

生命的本质

生命是什么？历史上，哲学家们非常关心这个问题。亚里士多德、康德、恩格斯等都曾提出过自己的看法。然而，在分子生物学革命之后的很长一段时间，哲学家和生物学家们似乎完全忽视了这个问题。本来生物学的革命大大推进了我们对生命的理解，我们好像应当能够更准确地说出生命是什么，然而，遗憾的是，从50年代到80年代，生物学家和哲学家几乎大都避而不谈这个问题。生物学家往往感到这个问题太“哲学”，因而把它当作是一个哲学问题，而不是一个科学问题。而另一方面，哲学家们可能感到这个问题“太科学”，因此把它主要当作一个科学问题，而不是一个哲学问题（Bedau 1996）。所以，当今一些主要生物学哲学家的生物学哲学著作，比如像罗森伯格的《生命科学的结构》，索伯的《生物学哲学》，都没有把生命的本质问题作为一个主要的问题来研究。在我国科学哲学界，生命的本质问题更是很少有人触及，多年来，主要的哲学刊物几乎没有发表过一篇关于生命本质问题的研究论文。针对这种情况，本文讨论了生命难以定义的各种原因，详细论述了定义生命的两种主要方法：实体定义方法和功能定义方法，分析一些主要生命定义的优点和问题，最后提出并论证了生命的信息定义。

一、定义生命的困难

人们之所以很少谈论生命的本质或定义问题，一个重要的原因是这个问题太难回答。之所以难以定义生命，主要有以下几个原因：

首先，我们每个人都有着关于生命的常识经验，而定义生命往往要包含所有的生命现象，其中包括大量常人不熟悉的生命和处于极限状态下的生命。这样定义出的生命概念可能和常识观念相差甚远，甚至完全相反。我们常识的生命观念一般都与动物和植物的一般特征有关，这些特征包括生长、繁殖、自我维持、对外界刺激做出反应等等。但当我们定义生命时，我们需要考虑所有类型的生命的特征，包括细菌等微小的生物，甚至还要考虑病毒、类病毒、蛋白感染素等。这些生物的特征和我们的常识观念具有非常大的差别。

其次，不同学科的人在定义生命时，往往从本学科出发，把生命的某一方面加以强调，把某一方面作为生命的本质。比如，生理学往往把能够完成诸如消化、新陈代谢、排泄、呼吸、运动、生长、发育和对外界刺激做出反应的功能的系统定义为生命系统。生物化学和分子生物学又往往把生命有机体看作是可传递编码在DNA和RNA中的遗传信息的系统，这些信息可以控制蛋白质的合成，而蛋白质决定着生物的主要性状。进化论往往把一个能够通过自然选择进化的系统看作是生命系统。热力学则又把生命看作是一个与它的环境交换物质和能量的开放系统。开放系统能够“吃进”负熵，使系统从无序创造出秩序，利用这些负熵保持和重建它自己的组织。不同学科的视角的不同也使人们感到生命难有统一的概念。

第三，生命现象与非生命现象存在着连续性，它们之间并没有一条截然分明的界限；而我们定义生命的目的又是要把它们明确地区分开来，这必然使我们关于生命的定义要么太宽，把一些非生命的现象也包括在内；要么又太窄，一些生命现象也被排除在生命之外。比如，上面不同学科关于生命的定义尽管是有意义的，但实际上，它们在逻辑上都是不能令人满意的。它们或者把生物学家认为是有生命的系统当作是没有生命的，或者把非生命的系统也当作是有生命的。比如，生理学定义就会把休眠的种子、病毒、类病毒等排除在生命系统之外，因为它们并不进行新陈代谢，又把汽车等非生命的系统当作是有生命的，因为汽车也能进行新陈代谢。生物化学和分子生物学的定义会把蛋白感染素（导致瘙痒病的似蛋白感染粒子）排除在生命之外。

由于这些困难，有些生物学家往往把生命的定义问题当作一个回答与不回答对生物学的发展并没有多大影响的问题（Lange 1996）。1960年的诺贝尔桂冠得主，免疫学家梅达沃（P. B. Medawar）曾经不耐烦地说，生命是什么的讨论使人感到生物学对话的低水平。生物学家往往认为我们关于生命的直觉的概念对我们研究生物学现象已经足够；没有清晰明白的生命概念，并不会对生物的结构、功能、进化过程等方面的研究产生任何不良影响。一些哲学家也因此认为对生命概念作精确的定义对生物学研究并无必要。哲学家塞尔（John Searle）就说过，“生物学家当然不需要持续不断地思考生命是什么，并且确实，大多数生物学的著作甚至不需要使用生命这个概念。然而，没有人在他健全的思想里会否认他研究的生物学现象是生命的形式（Searle 1992: 227-8）”。斯蒂尔尼(Kim Sterelny)和格里菲斯(Paul Griffiths)在他们新近出版的一本生物学哲学的著作中也曾说道，生物学家并不需要一个生命定义来帮助他们识别他们所思考的东西是什么（Sterelny and Griffiths 1999）。

然而，并不是所有的生物学家和哲学家都赞同这样的观点。1958年的诺贝尔桂冠得主，遗传学家约书亚?莱德伯格（Joshua Lederberg）曾写道，“理论生物学的一个重要目标是给出一个生命的抽象定义（转引自Lange 1996: 226）。”除理论生物学家对生命概念感兴趣以外，研究生命起源的生物学家，研究地外生命的生物学家等，也都认为生命的定义问题非常重要。因为对生命的不同定义直接关系到他们工作的内容、范围和研究方向。80年代末兴起的人工生命学科更是把生命的概念问题作为首先要回答的问题。

二、地球上“如吾所识的生命”

20世纪80年代末兴起的计算机与生物学交叉的前沿科学人工生命曾把地球上的生命说成是“如吾所识的生命”(life-as-we-know-it)，而把其它可能的生命形式，包括在计算机中创造的数字生命称为“如其所能的生命”（life-as-it-could-be）。生命的定义不仅要涵盖已知的生命，而且要涵盖未知的或可能的生命。这里，我们将先从我们所知道的地球上的生命特征说起。地球上的生命，如果从物质组成、结构和性质来看，主要有以下几个特点：

首先，从物质组成上看，所有生物都具有基本相似的物质组成。所有生命基本上都由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素构成。这些元素相互结合，构成氨基酸、核苷酸、葡萄糖等生命小分子；这些小分子再通过特殊的方式相互结合，形成蛋白质、核酸、多聚糖和脂类等生物大分子。这些分子成为构建生命的基本的“建设砖块”。由于重要的生物大分子都包含有碳，所以人工生命研究者又把这种“如吾所识的生命”叫做“碳基生命”。

从结构看，地球上直接表现出生命活性的生命都是由细胞构成的。细胞是生命的基本结构单位，一切生命都离不开细胞这一生命的基本形态。尽管细胞的形式多种多样，但基本上都有着相同的结构，都是由半透性的膜包围起来的与外界具有选择性物质交换的体系。其内部构成也基本相似，都有负责生命信息存储和表达的核或核区，有执行各种生命功能的细胞器（像线粒体、内质网、质体、核糖体、高尔基体等）。细胞还是生命的活动赖以进行的基础。生命的各种活动，比如代谢、生长、分裂、死亡等都是建立在细胞活动的基础上的。所以，细胞是维持生命系统运转的最基本的存在形式。离开了细胞，生命活动就会停止。病毒、类病毒和蛋白感染素是生命的边缘情况。它们只有在进入宿主细胞以后才能表现出生命活动。如果没有宿主细胞，无论外界环境多么“优越”，它们也只能静静地保存在那里不表现出任何生命活动的迹象。

细胞是生命的基本单位，但细胞并不是生命的全部。生命的存在是多层次的。除一些简单的生物之外，大部分生物都是由多细胞构成的。多细胞生物以组织、器官、系统等方式有序地将不同类型的细胞组织在一起，形成一个有复杂的等级结构和丰富功能的生物个体。组织是由细胞分化形成的具有相同功能的细胞的集合。器官是由不同的组织通过相互级联形成的具有特定功能的结构。系统是由不同的器官通过级联形成的完成特定功能的结构。最后多种系统相互结合形成统一的有序的生物个体。由于多细胞生物是由细胞分化形成的级联结构，所以，各个部分之间紧密联系，不可分割。另一方面，由于不同种类的多细胞生物的级联结构不同，使生命个体之间表现出差异性或多样性（陈阅增等1997：17）。历史上，由于自然选择，生物物种不断进化和发展，表现出高度歧化的发展态势和趋向。在漫长的进化过程中产生了植物、动物，最后进化出了智能生物——人类。

地球上的生物与其环境之间还通过相互作用，形成了一个复杂的、动态的、稳定的生态系统。在这个系统中，所有生物相互制约、相互依赖。生态系统还和其它生态系统之间相互作用，形成一个包括所有生命以及地球底层大气空间、陆地表面、岩石圈、水圈在内的生物圈。在生物圈内，生物通过改变自己，不断地进化以适应变化的自然环境和生命环境；同时生命也通过它们的活动改变着它们的生存环境。

生命的多层次性的级联结构使我们认识到，生命是自然界中的一种高度有序的现象（陈阅增等，1997：17）。这种有序性，从微观到宏观、从过去到现在全方位地表达出来。这种有序性既是结构上的，又是功能上的；既是空间上的，又是时间上的。这种结构还使我们看到，在生命的每一层次，都有新的属性突现出来。这样，我们在研究生命现象时，既要看到各层次之间的关联性，又要看到各层规律的独立性。

从规律上看，所有生命几乎都遵循相同的基本规则：所有生命使用相同的遗传密码、遵循着相同的复制、转录和蛋白质合成机制以及相同的DNA修复机制。生命的代谢活动，包括各种主要的生命物质的生成、转化，能量的获取、利用方式等，也都有着高度的一致性。

从性质或特征上看，地球生命具有如下一些特征：

首先，所有生命都处在与外界不断地进行物质和能量的代谢过程中。物质代谢和能量代谢实际上是一个过程的两个方面。生命在合成自身物质的过程中储存能量，在分解物质的过程中释放能量。新陈代谢的关键的化学过程是三羧酸循环和氧化磷酸化。新陈代谢是生命存在和活动的基础。

其次，生物在代谢过程中伴随着生长、发育和衰老过程。单细胞在代谢过程中会不断地长大，而多细胞生物更是具有一个生长、发育的过程。

第三，生物具有自我复制、繁殖和变异的现象（或经由繁殖而来）。生物在复制和繁殖过程中表现出高度的遗传特性，即亲代的遗传信息和它们所决定的结构性状被高度精确地传给下一代；同时在复制和繁殖过程中，遗传信息也会发生少量的错误，也就是变异，使后代生物和前代生物又有一些差别。

第四，生物对外界刺激都能做出一定的反应，即所谓的应激反应能力。例如植物茎尖的趋光生长，生物的免疫反应，生物的自我调节的稳态性，等等，都是生物不同的应激能力的表现。

第五，生命具有进化的能力。地球上的生命大约诞生于35亿年前。从原始的单细胞生物开始，经过漫长的进化历程，各生物物种辐射发生，形成了适应各种环境条件的多种多样的生物，直至高等智能生物人类出现。

三、定义生命的两种方法

对地球上的生命的定义，目前主要有两种方法。一种是从构成生命的物质着眼，把生命看作是一类特殊的物质结构或有特殊结构的物质。另外一种是从生命的基本特征着眼，把生命看作是一种特殊的现象。前者可以叫做实体定义，后者可以叫做功能定义或操作定义。不过，需要说明的是，由于结构和功能是紧密联系的一对范畴，因此，实体定义和功能定义常常是结合在一起的。差别主要在于定义中主要强调的是物质结构还是功能。强调物质结构重要的就是实体定义，强调功能重要的就是功能定义。

1．实体定义方法

实体定义目前也有两种。一种把生命定义为某种特定的大分子，包括“生命-蛋白质同一说”和“生命-核酸同一说”；一种把生命定义为特殊的物质结构，特别是细胞结构，又可称为“生命-细胞同一说”。

19世纪，恩格斯主要从大分子的角度定义生命。他说：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新（恩格斯，1970：78）。”恩格斯的这个定义是在批判杜林的生命定义的基础上提出来的。杜林曾把生命定义为细胞的新陈代谢活动。恩格斯认为，高级的生物确是由简单的类型“细胞”组成的，但有低于细胞的生物，它们和高级的生物相联系，只是因为它们的基本组成部分是蛋白质，从而它们执行着蛋白质的职能——生和死。恩格斯的这个生命定义实际上是和他关于物质的运动形式的思想是统一的。恩格斯认为自然界存在五种运动形式：即机械运动、物理运动、化学运动、生命运动和社会运动。这五种运动形式从历史的角度看，反映了自然界演化发展的顺序，每一种后面的运动形式都是由前面的运动形式演化来的。不同的运动形式有不同的物质承担者，有不同的运动规律，高级的运动形式包含低级的运动形式。生命运动是一种高级的运动，它是由化学运动发展而来的，它的物质承担者及其运动规律都不同于化学运动，但生命运动包含化学运动。恩格斯当时非常强调自然界的连续性。如果把生命定义为细胞结构之上的活动，就难以解释生命的起源问题。恩格斯特别重视从无机界到有机界的辩证发展过程，所以恩格斯选择了蛋白体作为生命活动的物质承担者。

恩格斯所理解的蛋白体和现在所说的蛋白质是不同的。他说：“在这里，蛋白体是按照现代化学的意义来理解的，现代化学把构造上类似普通蛋白或者也称为蛋白质的一切东西都包含在蛋白体这一概念之内，这个名称是不恰当的，因为普通蛋白在一切和它相近的物质中，是最没有生命的，起着最被动的作用，它和蛋类一起仅仅是胚胎发育的养料，但是在蛋白体的化学构造还一点也不清楚的时候，这个名称总比一切其它名称好些，因为它比较一般（恩格斯，1970：79）。”可见，恩格斯所指的蛋白体是广义的，它甚至不是现化意义上的一种高分子，而是一个物质系统。恩格斯在不同场合用这个词，他有时甚至把细胞也叫“蛋白质小块”。比如他说：“一切有机体，除了最低级的以外，都是由细胞构成的，都由很小的，只有经过高度放大才能看到的，内部具有细胞核的蛋白质小块构成的（恩格斯，1970：74）。”

总之，恩格斯把生命和蛋白体等价。生命是“蛋白质所固有的，生来具备的，没有这种过程，蛋白质就不能存在（恩格斯，1970：80）。” 20世纪前半叶，随着生物化学的研究进展，人们对蛋白质的结构和功能有了越来越清楚地了解，蛋白质形态复杂，功能各异，在生命活动过程中的作用异常重要。所有这些使得很多人更加坚信生命的分子基础就是蛋白质。

到了20世纪50年代以后，DNA双螺旋结构的发现及其遗传功能的研究进展改变了人们关于生命的本质是蛋白质的看法，从此很多人把注意力转向核酸，开始把生命的分子基础看作是具有自我复制和携带有遗传信息的核酸。于是生命的定义由强调蛋白质及其代谢功能，改变为强调核酸及其遗传载体的功能。生命起源问题被还原为能进行自我复制的低聚和多聚核苷酸的起源问题。这种观点可以称为“生命-核酸同一说”。

把生命定义为某种大分子的性质和功能，必然产生这样的问题：存在非细胞形式的生命吗？生命的基本特征能否在分子状态体现出来？

现在知道，确实存在着非细胞的生命形式。主要有三类：一是病毒，由蛋白质外壳和DNA或RNA核心组成；一类是类病毒，是没有蛋白质外壳的、全裸的RNA分子；第三类是蛋白感染素，或叫原体（Prions），仅由蛋白质分子组成，但这种蛋白质含有自身复制的密码子。换句话说，这种蛋白质本身也是遗传信息载体。但目前对这种极为特殊的蛋白质生命了解甚少。

然而，这三种类型的非细胞生命只有在感染一个活细胞时才能表现出生命的各种特征。它们不能独立地实现其自身复制。因此，上述三种非细胞的生命不是完整的生命，不能作为原始生命的模型。

问题是，病毒、类病毒和蛋白感染素等都不能算是完整的生命形式，我们能因此认为在地球早期化学进化阶段也没有出现过非细胞的“大分子状态”的生命形式吗？在细胞生命出现之前的化学进化阶段，是否可能产生过单由蛋白质分子或单由核酸分子组成的生命形式？因为早期地球上可能存在大量的非生物合成的有机分子，作为大分子自身复制的外在条件，所以，大分子的生命形式很可能在地球早期是存在的（张昀，1998），就像非细胞的生命形式现在可以存在于试管中一样。

如果我们同意在细胞生命出现之前的化学进化阶段确实有过由蛋白质分子或核酸分子组成的生命形式，那么接着的一个问题就是：在生命起源的过程中，是先有蛋白质，还是先有核酸？这个问题曾有过激烈争论。“RNA世界”说认为是先有核酸。80年代初有人发现在一定条件下RNA具有酶的功能：在RNA分子剪切过程中起催化作用的是RNA自己。这为先有核酸说提供了证据。然而，原体的发现使人们又认为先有蛋白质。原体分子本身就携带有遗传信息，并控制自身的复制。因此，到底谁先谁后，现在还是没有完全弄清楚的问题。

由于在现今生命中，核酸与蛋白质之间是密不可分的。蛋白质是在核酸的信息指导下合成的，而核酸又是在蛋白质的催化下复制和转录的。因此，也很有可能早期前细胞的原始生命形式既不是RNA分子，也不是蛋白质分子，而是由核酸和蛋白质（或许还有类脂）组成的大分子系统。在这个大分子系统内，氨基酸与核苷酸之间的关系通过相互作用逐步确立，即遗传密码在这种作用中产生。

实体定义还有一种观点，即生命-细胞同一说。这种观点认为，不存在分子状态的生命形式，所有生命都是细胞才具有的。蛋白质与核酸一旦产生，必须包含在类脂形成的膜结构之内才能形成独立的生命形式。病毒、类病毒和原体都缺少膜分隔，因此都不能在宿主细胞之外进行各种生化反应。所以它们都不是独立的生命。

2．功能定义方法

与实体定义强调生命的结构特征相对，功能定义主要从生命的性质和功能来定义生命。功能定义也有两种，一种强调生命是多种性质的集合，所以又称“集合定义”(cluster definition)；另一种强调少数几种或一种性质为生命的本质性质，可以叫做“根本性质定义”。

“集合定义”往往是通过列举生命的一系列特征来定义生命。比如莫诺（Monod）在他著名的《必然性和偶然性》(1971)一书中列出三个特性作为生命的定义特性：目的性，自主的形态发生和繁殖的不变性。克里克（Crick）(1981)根据下列几个特征定义生命：自我繁殖，遗传，进化和新陈代谢。一般的生物学教科书列举的性质更多一些，比如：新陈代谢，生长，发育，遗传，进化，应激性，自稳态，自组织，等等。著名生物学家恩斯特?迈尔曾经列出一个更长的生命性质列表(Mayr 1982: 53)：

(1) 所有层次的生命系统都有非常复杂和适应的组织。

(2) 生命有机体由化学上独特的一组高分子构成。

(3) 生命系统中的重要现象主要是质的，而不是量的。

(4) 所有层次的生命系统由高度可变的独特个体的群体组成。

(5) 所有的有机体拥有历史上进化来的遗传程序，它使有机体能够参与目的性的过程和活动。

(6) 生命有机体的类别是由共同家系的历史连接定义的。

(7) 有机体是自然选择的产物。

(8) 生命过程特别难以预料。

多伊恩·法默（J. Doyne Farmer）和白林（Aletta d’A Belin）曾经列举了下列一组性质作为生命共有的典型特征(Farmer & Belin 1991: 818)：

(1) 生命是时空中的一种模式（pattern），而不是特殊的物质客体。对生命来说，重要的是模式和各种关系的集合，而不是特殊的原子实体。

(2) 生命具有自我繁殖的能力，或者至少是通过繁殖产生的。比如骡子虽然不育，但也是通过繁殖过程产生的。

(3) 生命存储有自我表征的信息。比如自然界的有机体在DNA分子中都存储有关于它们自己的描述，这种描述可以被生物自己翻译成蛋白质。

(4) 生命具有新陈代谢的能力，即是说，生命可以不停地与环境进行物质和能量的转换。

(5) 生命可以与环境在功能上发生的相互作用。即是说，有机体可以有选择地对外界刺激做出反应，能够适应环境，同时它们也能够创造和控制它们相应的环境。

(6) 生命的组成部分之间相互依赖。这种相互依赖维持了生物体的统一性。

(7) 生命能够在扰动面前保持稳定，或者说它能够在噪声环境中保持自己的形态和组织，发挥自己的正常功能。

(8) 生命具有进化的能力。这种进化能力并不是有机体个体的性质，而是有机体系谱的性质。

法默认为，这个列表远远不是完善的。有些有机体，比如病毒在很多方面处在生命和非生命之间的状态。一些生命起源模型中的“原始有机体”也是这种“半活性的”实体。而根据这个列表，我们也可能把生态系统和社会系统看作是生命。所以，法默说，生命和非生命之间并没有一种截然分明的界限。恰当的做法是把生命看作是“一种连续的组织模式的性质，其中有些模式比其它模式更多或更少活性（Farmer & Belin 1991: 819）。”

集合定义通过各种性质的相互补充来帮助我们区分生命和非生命，这可以使我们避免过分简单地断定某种性质是否是生命的本质属性。然而，这既是它的优点，又是它的缺点。因为哪些性质可以作为生命的定义特征，哪些性质不能，仿佛并没有一个一致的标准。这就使我们感到集合定义有时显得相当任意。这种定义的性质列表总是变动不已，有的人的列表长一些，有的人的列表又短一些。不同的人总是根据自己的理解列举出不同的性质。

“根本性质定义”虽然也从功能性质出发定义生命，但主要是从少数更根本的性质来定义生命。生命有多种性质，然而，是什么原因使这些性质集合在一起形成生命这个独特的实体的呢？集合定义并不特别关心性质之间的联系，它解释不了为什么特殊的一组性质要集合在一起产生生命这样的实体。根本性质定义则力图克服集合定义的这些缺陷。

根本性质定义目前主要有四种：一种是“新陈代谢说”，一种是“自创生说”，还有一种是“灵活适应说”，最后一种是我所赞成的信息说。由于这部分的内容较多，所以我们在新的一节讨论这些定义。

生命的本质是趋利避害。亚里士多德说，生命的本质在于追求快乐，使得生命快乐的途径有两条：第一，发现使你快乐的时光，增加它；第二，发现使你不快乐的时光，减少它。但问题是快乐在哪儿？谁不知道要躲避不快乐的时光，问题是不快乐的事情就像一条疯狗一样，总是追着我们，我们躲不过去。因此，生命的本质就是趋利避害。想一想，是生命重要，自由重要，还是权力重要、钱财重要？答案当然是生命和自由重要。两害相权取其轻，趋利避害是当然的选择。李大伦等人趋利没有避害，所以失去了自由。

一个人一生希望有两个时刻隆重，一个是婚礼，一个是葬礼。婚礼的时候没有多大本事，参加的人不多，指望葬礼隆重一点。有多隆重呢？我要告诉你的是，你是谁并不重要，能够参加你葬礼的人的数量主要取决于天气。天气好了，大家来看热闹为你送行；天气不好，人家就不来了。这样想就想开了，实在想不开就参加一次别人的葬礼，这样你就想开了。你会发现，再多的财富，再大的权力，再多的学问，都是一股烟上去，其他全放下，连灰尘都得放下。

人有三个欲望：名、利、情。好名者愤恨终生，好利者六亲不认，好情者苦苦相斗。人要学会放下，真正的放下是指放下名、利、情，不要为这三个字所累。一点没有名、利、情的人不可能存在，但是过度求之又难于满足。放下名、利、情不是不要，不是出家遁入空门，而是淡泊而后求之。如果能够享受追逐目标的过程，不把得失萦绕于心，是普通人能够放下的境界。因此，对一般人来讲，放下就是不萦绕于心，随缘、随喜、自在。

心中若无烦恼事，便是人生好时节。

这样一路思考下来的结果是：淡泊名利而后求之。可以追名，也可逐利，但必须避害。

请问生物医学光子学的个人发展前景

本文刊于《医学与哲学》1984；5（6）：11-14。

生命是什么?自古至今已有许多说法。有的说是“灵魂”，有的说是“新陈代谢”，有的说是“原生质”，还有说是“遗传与变异”，现代又有说是“自我复制”，或“突变、复制及遗传”，“物质、能量和信息”的，各执一词，不一而足。这种纷乱局面显然会产生二种倾向：一种认为生命既是可以任凭人们提出主张、发表感想的，那么探索生命只是去参与一场无休止的争论，实际是浪费时间；另一种也认为不必继续去探索生命了，但理由相反，说是因为正确定义已经有了，就是他们自己所主张、而别人却不认同的定义。这就提出了二个问题：l.研究生命科学，可不可以不要生命定义? 2.凭什么允许一个人宣称，他找到的乃是真正的生命定义?下面就来讨论一下：

l. 如果我们要建立红色物的科学，那么，什么是“红色”重要不重要?如要建立爆炸物的科学，什么是“爆炸”重要不重要?总之，任何人要建立研究符合某种标准的物的科学，那么某种标准的定义自必就有第一要予以澄清的必要了。不知道什么是生命，怎会有生命的科学？

2. 法律上有个术语叫“验明正身”。在处决一个人时，一定要核对一下，被处决者必须确是原来那个犯死罪的人，别搞错了，搞错的后果是不堪设想的，在理论思维里，这就是亚里斯多德的同一律(即所谓的A=A)。它要求我们所思考的对象正好是我们想要思考的对象。违反同一律的思维是不可能正确的，例如地图上的红线到底算什么东西，可不可以各抒其见：你说算铁路，我想是公路，而他认为是航线……不行，红线代表什么早已由制图时的图例规定好了，我们再各抒其见是会违反同一律的。又如英语的字义可不可以由中国人、俄国人、日本人来各自推理或臆断呢?也不行，它只能以英语民族的实际规定为标准。同理。什么物是有生命的?这不仅需要有这些物客观上存在，而且还必须经过人类给予认定(例如微生物直至上一世纪才被确认为有生命的；而病毒、类病毒是否有生命至今还有争论)，这就必定有个认定的标准．所以生命究竟是什么，绝不是现代的研究者们可以随意主张的，因为生命概念不是现代刚提出的。如果今天有人说生命就是“核酸”或是“物质、能量和信息”，那我们就有权问他们一声：古代人认定生物时难道已经懂得“核酸”或“物质、能量和信息”了吗?如果不是，那么古代人认定生命显然用的是别的标准了。既然如此，有什么可以证明你们所说的正是他们所认定的呢，是怎样从古代的引伸成为现代你们所主张的呢?对于一切不说明这种引伸关系的生命定义，科学的态度只能是存疑。因为这连同一律都未通过呢。可见，我们不应该承认各抒其见的生命“定义”，我们只承认己“验明正身”然后又正确引伸得来的生命定义。

在上述二个问题统一了认识之后，放在面前的任务便是如何去找出唯一的符合“正身”的生命了。许多人是这样想和这样做的：生命就是生物的特点，所以只要说明一下“核酸”或“能量、信息”之类确是生物的特有共同点，生命就算找到了。因而，“验明正身”被看作是多余的。实践证明，上述想法是不切实际的。不错。—切正性物都是因为符合某项标准才被人们定为某种正性物的。所以该项标准无疑是该正性物的共同点。生命当然是一切生物的共同点。问题是由于种种原因，某些人找到的生物”共同点”是靠不住的。举例说，有人问一个孩子，医生是什么意思?孩子说，医生就是穿白大衣戴听诊器的人。尽管孩子见过的医生确实如此，这个答案却是错的。费伯格认为，某些人主张的生命定义很类似于某城的人认为出租汽车就是指**的小汽车(由于该城的出租汽车一律被漆成**的)。这里，孩子和该城居民得出结论所依赖的是不完全归纳法，这在逻辑上本就是不保险的。可悲的是，人们至今所主张过的生命定义竟无一不是采用这种不完全归纳法得来的。他们见什么就说什么，就在最近一百年里，说过了好几个“定义”，又过时了同样多的“定义”；还美其名曰：随着认识的深化，“定义”在不断发展。其实，生命与红色、燃烧或哥白尼一样，也和任何一个概念一样，在任何特定时刻都只有唯一的一个定义。不同时代里概念的沿革尽可以变化，但任何时刻，一个概念对应着一个客观实在乃是正确思维的起码前提，同一律之所以正确就在于此。我们看到：人们看到了细胞，很快就说生命都要有细胞(细胞学说)；人们看到了大分子胶体，就说生命都要有大分子胶体；后来又知道了DNA，就又说生命都要有DNA。可是究竟是哪个上帝向他们保证过：在无限的时空里决不去创造出任何非细胞的、非大分子胶体的、非DNA的生物的呢?我们还看到，这一批出笼时总是无比显赫的定义后来总是以一批过时的权威作唐吉诃德式的顽抗作为悲剧的收场：为了固守细胞阵地，一些人至今不肯承认病毒是生物；为了固守大分子胶体(原生质)阵地，更不能承认类病毒有生命；为了固守DNA阵地，有人总是对RNA另眼相看——最好世界上从来没有过RNA病毒。可是科学是逃脱不了哲学的，不完全归纳法的本性也是改变不了的。

那么应该怎样做才能遵循同一律找到生物的真正共同点呢?先请看一个例子。某甲按某标准“C”把5个物划定为“C种物”。这5个物是无色透明的玻璃球，在其表面则分别涂上或漆上、贴上红、橙、黄、绿、兰色。某甲要求我回答“C”是指什么。我先后判定C是指“球形”、“玻璃质”或兼有两者……但都错了。最后我请某甲告诉我，什么情况下这些物可以变成“非C种物”呢?某甲当即设法除去了各球的颜色，说：“现在它们都是‘非C种物’了”。这时我马上知道了，C原来是指“颜色”或“彩色”。我们看到，在这个实例中的5个物有许多共同点，却并无理由把它们定为某甲认定的“C”，而恰恰是表面看来不相同的红橙黄绿兰，反倒是某甲据以划分物的统一标准。这足以向人们表明，用共同点来省略“验明正身”是过于天真了。事实告诉我们，当“C”在同一物上发生得失对比时，是我们去“验明正身”的最佳时刻——这时C被单独地分离了出来，成为客观上可考查的了。所以在各生物(外延)身上我们已发现的共同点可以很多，把它们与生命等同起来却是缺乏根据的。生命也只有通过在同一物上得失变化才会暴露出来，这就是我们能客观地追查出从古代人就开始采用的规定生、死标准的秘诀。

现在我们就利用物得失生命的两个时刻来查证：生命是什么.

一. 死，表一显示生物丢失生命时究竟丢失的是什么东西。（表一略）

表二 生命产生的意义

生物主体

什么东西诞生了

物种概括

（人生）

人

一个新人的

植物功能

动物功能

思维功能

新的一个人存在了

（虫生）

虫

一个新虫的

植物功能

动物功能

新的一个虫存在了

（麦生）

麦

一个新麦的

植物功能

新的一个麦存在了

（自我生）

自我

一个新自我的各种功能

新的自我存在了

产生生命的渊源第l项判定死亡的具体依据，人们是熟悉的。例如呼吸及心跳停止常是医生判定人死亡的依据。但是这种具体依据缺乏统一形式。例如意识是判定人死否的重要依据，但麦子却根本就没有意识；又如在虫子那里，肌肉运动也是存活的一项指标，但麦子也没有肌肉——然而麦子却仍算是有生命的物。把第1项说法概括后的第2项说法，人们也是熟悉的。人们都知道，人丧失意识、呼吸、心跳等的总结局只是一个——该人不存在了；所有的具体的指标只是表明某人还存在着的指标。在概括之后，各物种生命的统一性明显了：各种物的具体生命指标尽可不同，却都只是表明各种物的存在能力并未丢失[为什么我们说生命是能力而不是现象呢?这例并不只因为恩格斯说过：“这些机能我们称之为生命”(《自然辩证法》，1955年版 P255)，主要是根据事实。简单的事例是：如果一个人呼吸、心跳、思维等都停止了，生命现象已经消失，我们能说他死了吗?又如果他在12小时之后竞又重新呼吸、心跳了，那么他刚才12小时算是活的还是死的？若说生命是指现象，那么那12小时里既无现象就该算是死了；若生命是指能力，那么12小时后的现象复出正证明那12小时里这个人始终保持着表现这些现象的能力，因此他是活的。由于生命是指能力，所以辽宁普兰店出土的古莲子已历千年，我们也不敢武断它们是死的。能力需给予施展的条件才可检验它，能显示的是正性物，不能的是负性物。能力不同于现象，它不是一目了然的。所以会发生有人误把熟鸡蛋去孵小鸡；有的奸商把煮熟的良种卖给想播种的人；无经验的家属在医生断定病人死亡之后还坚持说病人尚未死、还可以救……这一切在生命是指现象的情况下是决不会发生的。今天这问题更清楚了。在-196C下，细胞的一切生命活动完全停止，生命现象看不到；但保存着能力的受精卵及冷冻胎儿却都是活的。在美国阿维如纳有15个人身患绝症而躺在一196C的大冰库里，他们之所以还存有将来绝症被治愈的一线希望，最起码的前提就是他们不认为自己生命现象的消失就是死亡。人们诊断死亡的本领是越来越高了，但不变的本质始终是：判断一种能力是否真正已经丧失，也即表现生命现象的可能性是否已不复存在了。]最后，像红橙黄绿兰可以抽象地统一在“颜色”下一样，在第3项里，生命终于有了统一的表达一—自我的存在能力。因为人、虫、麦虽各不同，但人对人、虫对虫却都与麦对麦或T对T一样，是自己对自己。至此我们知晓，用通俗语言讲，一个物的生命就是指这个物具有主动地表现一些现象以表明自己还是自己的能力。某甲始终能向人证实他还存在着，那他就是活着，终于有一天永不能显示自己了，他就死了。可见，生命是一种看不见摸不着的能力，其特定性不由物的形态结构规定，而由物与自身的关系所规定。也就是说，任何形态结构的物都可来考核一下有否生命：凡是对自身具有一种符合上述规定能力的物，都是生物。

可是，万物谁没有自我呢?地球、泰山、建筑物都有自身的，而每个物的存在不正是“自我存在能力”的证明吗?没有“存在能力”，又怎会存在呢?这就引出“万物皆活”来了。确实，由于这种类比，人们早把生命推广到一切事物上去了。例如，l、火山要是不再是火山了，地质学家称它为“死火山”；2、“太阳正处壮年”，这是天文学家说的，那是指它已活了一半时间，再过一半时间，它要死了——不再是它了；3、“艺术的生命在于创新”，这是艺术家的话，说的是，艺术若无创新，就会丧失自身的存在能力，不再是艺术——死了。生命概念这种扩大化事实正好反证了我们定义的正确性。只有用我们的定义才能解释这类事实，而别的所谓定义——如拿“生命就是原生质”来说就解释不了；你不能说“死火山”是表明这种火山已丧失了原生质。所以，我们不必害怕引出“万物皆活”来，还是让我们再去考察一下“生”吧。

二、生，这是生物诞生时刻。

表二的结论与“死”时是一致的，生命都是指物的“自我的存在能力”。但要注意现在最后写的是“新自我的存在能力”。恐怕又有人会说，新山、新塔、新星不也在不断产生吗?不也是“新的自我”吗?类比终于失效了，因为我们所写的“新”并非指世界上又诞生出一个新物的“新”，而是指生物的生是由其同种物(亲体)制造出来的，这里必须要涉及两代同种物才不得不把后代刚得到生命的物区别为“新自我”。恰恰在这点上，非生物是不必要的，它们诞生时不必涉及同种物。众所周知，新山、新塔、新星并不是由同样的山塔星制出来的；非生物对自我物种的绵延无能为力的。生物却不这样，用恩格斯的话说：“生命不是由某种从外面造成的过程所引起的。相反地，生命...... 是一种自我完成的过程”（《反杜林论》横排版本，P79）。生物的自我是具有制造同种物能力的自我，这就是通过“生”而被我们看到的“新自我”的含义。为什么在观察“死”时，还会与非生物混淆?就因当时还未把这种“新”注出来。生物都首先“生”，再有“死”的，既然生下的是这种特殊的自我，那么死去时丢失的当然也只能是这种特殊自我。至此，我们得知生物具有的是：有制造同种物能力的自我存在能力；而非生物具有的是：不具制造同种物能力的自我存在能力。两者都有自我存在能力。这就是前面说过的生命概念扩大化的基础。但两者又是绝然不同的，只要两相对照就留下生物的特异性了：制造同种物的能力。这就足狭义的只适用于生物界的生命定义。其灾它就是古代就知道的生物“物生其类”的能力。“同种物”是个极明确的概念。对任何规格的物来说，同种物都是可唯一确定(即不会搞错)的，即具有相同规格的物。对具有A规格的物来说，同样具有A规格的物就是同种物。众所周知，以某一对象为准制造出同种规格的对象，这被称为“复制”，如复制表格、雕像、器皿等。一般复制的制造者是人。如果制造者就是复制时所要模摹的标本本身(像核酸那样能把自己复制出来)，那就合情合理地应称之为自我复制。至此。生命的定义有了最精炼的形式：生命是指物所具有的“自我复制能力”。（表二略）

表二 生命产生的意义

生物主体

什么东西诞生了

物种概括

（人生）

人

一个新人的

植物功能

动物功能

思维功能

新的一个人存在了

（虫生）

虫

一个新虫的

植物功能

动物功能

新的一个虫存在了

（麦生）

麦

一个新麦的

植物功能

新的一个麦存在了

（自我生）

自我

一个新自我的各种功能

新的自我存在了

产生生命的渊源第l项判定死亡的具体依据，人们是熟悉的。例如呼吸及心跳停止常是人们应该认识到，20世纪里发现核酸是复制物质、发现DNA分子只有适于自我复制的双螺旋结构等都不是偶然的现象。也就是说，人们不可能在真相大白的时候发现生物中不含有复制物质，也不可能发现DNA不具有适于复制的分子结构。因为这一切都在几千年前当人们把能复制自身的物认定为生物的时候就决定好了。这正如在某甲把“有色”确定为“C”种物时，就已决定了如下因果关系：在所有“C”种物身上必定能找到造成“有色”的物质，而且正是有了它们，才使这些物挤身于“C”种物内的。

参考文献(略)。

生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一。目前几乎所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻求自己的有意义的生长点与发展面，而生命科学的重点研究对象更是直指高等生命活体与人体本身的一些重大问题。近几年来，已形成了光子学与生命科学互相交叉的学科新分支——生物医学光子学(Biomedical Photonics)。这方面的研究工作十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。最近两年美国光学年会的论文中有近三分之二的内容与生命科学有关。国际上也出现了专门的研究机构与杂志，如日本已成立了一个生物医学光子学研究中心，美国几个大学也建立了几个研究小组。Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。多年来，SPIE（国际光学工程学会）于每年年初召开一次规模十分庞大的“生物医学光学”国际性学术会议，并于1996年出版了新的期刊Journal of Biomedical Optics 。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目更名为“ Optical Technology and Biomedical Optics”。 生物医学光子学包括生物光子学和医学光子学两部分。分属于生物学或医学的光子学与光子技术领域至今尚无明确的分界，两者之间存在有相互交叠的范围。其中医学光子学发展迅速，已成雏形。目前，生物医学光子学主要包含以下研究内容：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等也是一项重要的任务。二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光医疗机理极其作用机理的研究。

生物光子学 早在光子学产生初期，充满发展活力的生物科学就和光子学相互交叉渗透，促使生物光子学这一边缘学科生长点悄然崛起。20世纪80年代初期，这一个新兴领域的提出是基于生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现及其研究成果。迄今为止，人们对BPE已取得了一些初步的认识，例如，认为BPE是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的固有的一种功能。它是在不同的生理、生化条件下生物体综合信息的反映。除了少数低级生物如某些原生生物和藻类外，大多数动植物均能产生BPE。而且生物进化程度高，BPE值越大。BPE的光谱范围从紫外、可见到红外波段。另外，生物进化水平越高、辐射的波长越向红外扩展。BPE具有高度的相干性，并具有泊松相干场的特征，它是生物体量子效率极低的一种低水平化学发光。 如果说光子学是产生和利用以光子作为量化单位的辐射的技术，而且其应用范围从能量的产生和探测扩展到信息的提取、传输与处理等，那么，生物光子学则涉及生物系统以光子形式释放能量和对来自生物系统的光子探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行加工改造。

生物系统的光子发射

生物系统的自发超弱发光 只要是活的生物，小至细菌微生物和各种动植物细胞，大到植物，动物甚至人，都存在自发的光子辐射，通常，这种光子发射极其微弱，只有几个到几千个光子/秒每平方厘米，故称为系统自发的超微弱发光。其光谱范围颇宽，从紫外延伸至近红外，必须用灵敏的光电探测器才能探测到。近30年的研究表明：生物超微弱发光与生物的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、光合作用、癌变以及生长的调控等许多基本的生命过程都有着内在的联系，而且正是由于它与活的生物体内发生的生化过程、生物机体的生理和病理状态等有着密切的联系，因此才使其在医学，农业，环境等众多方面都有潜在的诊断价值。

生物系统超弱发光的本质 生物系统超微弱发光的光子来源始终是研究者关注的中心，目前认为它来自以下几个方面： 1.生物系统中由于氧化代谢而不断产生活性氧自由基，并由此产生单线态氧和激发碳基，它受生物体内的抗氧化防御系统与免疫系统的影响； 2.生物体内酶促反应形成的激发态分子； 3.由于集合效应所形成的重要生物大分子（如DNA及其缄基）的激发态和激发态复合物因其能级分布远离玻耳兹曼分布，而使生物系统处于能级高度反转状态，并通过相互作用而发射具有某种相干程度的光子。其相干程度可能是生命的一个特征。生物系统的超弱光子辐射是否携带信息、是否构成生物系统之间及其内部细胞之间通信联系的一种途径？这些都是引人关注的重要问题。深入认识生物超弱发光的本质，开发其应用潜力，是生物光子学的基本任务之一。

生物系统超弱发光的重要应用 生物系统的超弱发光在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境监测功能等方面有重要的应用。 由于超弱发光与生物体的生理病理状态有关，因此使之在临床诊断上有潜在的应用价值。例如，已有研究表明，肿瘤患者与健康人相比，其血液以及许多器官与组织的超弱发光升高。另外，研究还发现，种子与幼芽的超弱发光对温度、湿度、及盐碱度的依赖性在一定程度上反映了作物的抗寒、抗旱与抗盐碱的性能，显示了生物超弱发光在农业上的选种育种等方面的重要应用前景。物理、化学方法的环境监测只能给出当时测量的污染程度。由于生物系统的超弱发光对环境水源与大气中的化学污染极为敏感，因此可利用其作为环境污染的生物指示剂，为环境的监测提供了一种新的简捷手段。

生物超弱发光的成像 利用高灵敏度的光子探测与成像技术，并结合光子统计与光子相关测量技术，在可见或近红外波段获得生物体的超弱发光的二维图像，用以测量人体的代谢功能与抗氧化、抗衰老的机体防御功能。因此可望在疾病与临床诊断方面得到重要应用。

生物系统与细胞之间的光通信 一般认为，细胞间的“通信”总是借助一些特殊的“信使分子”来实现的。“信使分子”包括激素、抗体、生长因子和神经递质，也包括某些无机离子。这种通信从本质上讲都是通过分子间的相互作用（如信使与细胞膜上受体蛋白的相互作用）实现的“化学通信”。细胞间是否存在“物理通信”？即细胞之间是否存在着通过电磁场或光子相互作用来实现现代的信息传递？目前已有实验证据表明：细胞、组织甚至生物体之间有可能通过光子的发散和接收传递信息。细胞之间光通信的研究将会揭示生命现象的一个鲜为人知的方面，并可能在医学、健身和农业等诸多方面得到重要的应用。

生物系统的诱导发光 外界短暂的强光照射可以诱导生物系统的光子发散，这种诱导发光的强度通常大大高于自发发光的强度，且随时间衰减。诱导发光的光谱和强度取决于组成生物系统的可激发分子的种类和含量，还取决于分子间的相互作用及能量传递，因此，诱导发光将能提供生物系统组成的结构的信息，这种发光早已用于植物光合作用的研究。最近研究表明这种诱导发光在疾病的诊断和食品质量的检测方面具有相当诱人的应用前景。

光子技术在生物科学中的应用 随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的飞速发展，它们在生物科学的研究与医学诊断中的应用与医学诊断中的应用越来越深入和广泛，已成为现代生命科学中的重要工具，并为之带来革命性变化。

荧光探剂与激光扫描共焦显微术 激光扫描共焦显微术的基本原理是，在细胞内一个任意选定的深度上将激光束聚焦成线度接近单个分子的极小的斑点，并在细胞内一定深度的层面上进行扫描，通过光学系统，即可得到细胞一个层面的清晰图象。连续改变激光的聚焦深度，在一系列的层面上进行扫描，最后获得整个细胞的三维图象。利用目前已达上千种与细胞内不同分子（或离子）特异性结合的荧光探针，人们就可以直接观测活细胞中各种重要生物分子的位置、运动以及与其它分子的相互作用等。例如观测细胞骨架上的微管、微丝与中间纤维，观察信号转导通路上的各种重要的酶与信使分子，还可利用基因重组技术将自身已有的荧光蛋白引入细胞，用激光扫描共焦显微镜研究基因的表达、细胞内蛋白质的相互作用与细胞内的“交通”等。荧光探针和荧光蛋白与激光共焦显微术的结合，使人们能够看到细胞内一个既复杂又异彩纷呈的世界。

多光子荧光成像技术 目前，共焦显微成像术使用的是可见光波段的氩离子激光器，因此可能引起活细胞的损伤。利用多光子，如多光子激发，至少有以下三个优点：一是由于近红外光激发，故对活细胞的损伤大大减小；二是在组织中由于近红外光比可见光的透光率高，因此可观测样品中更深层的荧光成像；三是许多用在可见区甚至紫区的荧光探剂照样可以使用。这种技术主要是使用高强度红外激光，使双光子的激发效率与短波长的单光子相当。现在已有一些激光器满足这一要求。

光钳和单分子操作 光钳（Optical tweezer）技术诞生于20世纪80年代，发展于90年代。其基本原理是：当一个微粒（如一个与生物大分子结合的硅珠）处于一个强度按高斯分布的激光光束中时，由于光场强度的空间变化，光束将对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并使其稳定在那里。这样，激光束就似“钳子”将粒子牢牢地钳住，并令其随光束人为地移动。光钳施加在微粒上的压力取决于光的波长、光束的宽度及功率等。当激光器的功率为几毫瓦到几瓦时，施加于尺寸为微米大小的微粒上的力大约为几个到几百皮(10-10)牛顿。为了不使激光被生物组织强烈吸收，为了不使激光被生物组织强烈吸收，光钳一般使用近红外激光器光源。光钳技术的重要应用是，用以研究和观测与肌肉收缩、细胞分裂、蛋白质合成等密切相关的一类蛋白质——分子马达。研究时，将一个微米大小的硅珠或聚苯乙烯珠与这些分子马达接在一起，在显微镜下用光钳钳住小珠，启动分子马达，就可以测量出分子马达运动时产生的力。德国学者已经用激光在卵细胞膜上打孔，用光钳将精子抓住并送入卵细胞，大大提高了体外受精的成功率。今后，新一代的光钳将具备施力的反馈机制，使光钳加在捕捉的离子上的力能改变其大小，从而研究影响分子马达的各种因素。光钳还可以用来对细胞进行各种加工等。因此，-----光钳将在细胞工程技术方面发挥重要的作用。

医学光子学

当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的。为此，人们从各个学科（磁学、声学、化学、光学等）探索医学诊断和治疗的新方法。目前，人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演重要角色。认识光在生物组织中的传播规律，以及激光为代表的高性能光源和高灵敏度光学探测器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物质基础。 新兴的光子学和现代医学相结合形成了一个新的交叉学科生长点：医学光子学（Medical photonics）。医学光子学的发展动力主要来源于医学的迫切需要。许多面向临床光治疗以及光诊断的具体应用，如激光医学中的光计量学、光学成像诊断学、肿瘤诊断与治疗等所提出来的各种问题，亟待医学光子学给出满意的回答，由此极大地促进了医学光子学的迅猛发展。医学光子学研究的直接对象是生物组织，特别是活体的生物组织。它的研究成果将直接服务于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业，为人类文明和社会进步作出贡献。 医学光子学正处于兴起阶段，我国的研究基础与条件虽然相对较为落后，但我们在实践方面多有优势，且同国外处于一个起跑线上，因此只要组织得力，选题得当，经过努力一定会在某些方面，如理论和计算以及临床方面获得突破，并占据国际领先地位。

医学光子学基础 关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学”（Tissue optics）作为研究生物组织光学性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基础性的理论问题，也是进一步发展光医学（包含光诊断和光治疗）的前提。 组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。当前的主要研究任务是：研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。前者涉及由测量的光分布和一定的光传播模型确定组织体的光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组织体的光学基本参数和光传播模型出发导出组织体内光分布，属于“逆”问题。当前结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：

光在生物组织中传输理论研究 目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。

光传输的蒙特卡罗模拟计算 蒙特卡罗（Monte Carlo）计算模拟方法，已在许多领域发挥了不可替代的作用。已经有一些比较成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术 在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是确定组织体，尤其是人体的光学性质基本参数，即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散射余弦g以及折射率n等。一旦已知这些光与组织的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件下，光能流率或其它参量全反射率R全透过率T等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

生物组织折射率及色散关系 人们在各种情况下使用假设的折射率数据（1.33-1.38），但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度上被忽视了。至今人们还未在概念上对生物组织折射率做深入的辨析，也还没有完全掌握活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。业已证明生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。鉴于此，应将生物组织的折射率与色散参数的测量及方法作为重点之一开展研究。

组织光学理论工作的几点思考

综上所述，作为医学光子学基础的组织光学部分，除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库外，在理论上可着重考虑以下几个问题： A.继续改进生物组织光传输模型，一要发展受限制少、快速而又精确的模型；二要精确化组织光学模型，使之与生物组织特别是活体组织状态相近似； B.研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射光的时间变化特性，为光学成像术做充分的理论准备； C.研究调制光在生物组织中的传播特点，例如将受振幅调制的光照射到组织上会产生慢散射光子密度波，一样发生反射、折射、衍射、散射、色散等，可以无损地探测组织的光学性质参数，又可以用来成像； D.研究生物组织散射和吸收的光学特性对测量荧光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明，这种影响是不可忽略的 E.对光在复杂组织结构中的传输过程进行计算机模拟，通过大量模拟，找出简单而有效的规律来说明光在组织中传输的基本性质，并在各种参数之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据； F.统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善的组织光学理论体系。

医学光子技术

医学光子技术分为两大类：光子诊断医学技术与光子治疗医学技术，前者是以光子作为信息载体，后者则以光子作为能量载体。 目前，无论是光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。如果着眼于人体应用为对象，这两种技术则归属于激光医学范畴。激光医学是医学光子技术的一个特有的重要应用领域，也是近多年来迅猛兴起的一个新学科分支（详见本节第3点）。

根据国际、国内的发展情况，以下诸点是医学光子技术的主要研究内容：

医学光谱技术 激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。

1.生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。已对激光诱导生物组织自体荧光和药物荧光诊断动脉粥样斑块和恶性肿瘤进行了临床前的研究。内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。在此基础上还研究了用于癌瘤诊断和定位的实时荧光图像处理系统。

激光荧光光谱诊断肿瘤技术的研究一直倍受关注，光谱检验法的灵敏度很高，如能找到肿瘤细胞的特征荧光峰，来诊断癌细胞的存在，则对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用。但至今该技术在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据，关键原因是尚未找到癌细胞真正的特征荧光峰。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。 目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。 2.生物组织的喇曼光谱。近年来，喇曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势，克服了荧光光谱技术区分病变组织是由于生物大分子荧光带较宽、易于重叠对准确诊断带来的影响。目前，这一研究领域尚处于起步阶段，应加紧开展以下研究工作：其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建立其光谱数据库（包括分子组分与结构相对应的敏感特征谱线及其强度等）；其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过程中生物组分的变化与发病机理；其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪和诊断仪。 3.生物组织的超快时间分辨光谱。超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。应抓紧开展原理与技术的研究，以获得有价值的活体光学参数，为光诊断与光治疗技术的发展提供依据。

医学成像技术 人们致力的目标是：发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术，同时应具有非侵入式、实时、安全、经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分的特点。目前研究工作主要集中在以下几个方面：

1.时间分辨成像技术，它以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。该项技术是光学层析（断层）造影（OT）技术中最主要的一种； 2.相干分辨成像技术（OCT）。它采用的是弱相干光光源（如，弱相干脉冲激光或宽带的非相干光光源），其相干长度很短（如20μm）。利用光源的低相干性能通过散射介质来实现成像，实现手段有干涉仪、全息术等； 3.漫射光子密度波成像技术。透过生物组织的漫射光占相当大的比例，也可利用它进行医学成像。高频调制的光射入生物组织，被漫射后的光子在生物组织内部呈周期分布，形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度和振幅衰减系数在生物组织中传播，又被折射、衍射、色散、散射，因而使之出射光携带生物组织内部结构的信息。测量其振幅和相位，再经过计算机数据处理便能够得到生物组织的有关图像。 4.图像重建技术。生物散射介质的结构特征信息隐含在漫射光中。若能找到描述光在介质中迁徙规律，通过测试漫射光的有关参数，在眼光的散射路径逆向追溯，则应能重建散射介质结构图像。如采用锁摸激光器作光源，条纹相机测试散射体周围的漫射光的时间分辨参量，再用逆问题算法进行图像重建。目前，逆问题算法大体有两类：一类为蒙特卡罗法，采用这种方法，图像重建精度高，但是计算复杂；另一类是基于光的传输方程，采用优化算法，根据测试周围时间分辨率漫射光的信号进行图像重建。

除了上面四种技术外，近年来还发展了其它一些生物组织成像技术，如空间选通门成像技术、时间分辨荧光成像、受激喇曼散射成像以及光声医学成像技术等。目前，国际上光学医学成像技术尚处于初始研究阶段，离实用化还有相当距离，但人们已经看到它初露曙光。

医用半导体激光及其应用技术 由于半导体激光器具有体积小、效率高、寿命场合多种波长可供选择等一系列显著优点，所以它在激光诊断医疗技术中有逐渐取代其他多种激光器的趋势，从而有可能成为激光医用仪器的最主要光源。目前的状况是：低功率半导体激光器，波长为800nm~900nm，功率为3~10mW，已逐渐替代He-Ne激光器作照射治疗和光针疗法，以及作各种指示光源；中功率器件，波长652nm~690nm，功率1~5W，已逐渐替代染料激光用于光动力疗法，可治疗较深部的肿瘤；高功率半导体激光器，也有可能替代Nd：YAG激光治疗机。如波长为800nm~900，功率为30W的高功率半导体激光，穿透组织深，适用于Nd：YAG激光所能治疗的大部分病种。

其它医用激光技术发展动向 近年来，值得注意的研究动向还有：其一是新工作波长激光医疗仪器的开拓；其二是Ho：YAG和Er：YAG激光手术刀走向实用化；其三是腔内治疗适用的光纤内窥式激光医疗技术的开发；其四是激光医疗设备实现智能化。

激光医学

以激光为光源，着眼于人体应用为对象的光诊断和光治疗技术开辟了激光医学这个重要的新领域。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强进的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：

1.光动力疗法（PDT）治癌 治癌光动力学肿瘤治疗是世界范围广泛关注的大课题。肌体注射肿瘤能聚集的光敏剂之后，受激光照射，产生光化学作用，可以选择性的杀死肿瘤细胞。目前存在的主要问题有两个：一是皮肤光敏副反应大，要长时间避光；而是激光透入人体的深度太浅，深层肿瘤无法进行光化作用，因此复发的可能性很大。现正在积极研制开发性能优良的光敏剂和能穿透组织深部且与光敏剂作用良好的激光。此疗法的前景仍然是十分乐观的。

2.激光治疗心血管疾病 经皮激光冠状动脉成形术治疗冠状动脉狭窄及阻塞病变的技术已有长足发展。用准分子激光进行冠脉成形术已成为首选方法。但因管腔的再狭窄等问题尚待进一步解决, 因此该项技术目前还难以有效推广。除上述冠状动脉成形术外，心肌血管重建术、激光直接消融心脏的异常节律点，治疗严重心律失常等也是当前的研究热点

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