激光發(fā)展對生命科學(xué)的重大影響

從第一臺激光器誕生到現(xiàn)在不到40年，激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用突飛猛進(jìn)。激光之所以倍受矚目，其根本在于他與普通光 相比有四大特點：第一，單色性好，如單模氦-氖激光器發(fā)出波長為6328的激光，其譜線寬度小于1E-7；第二，方向性 好；第三，亮度高，其亮度遠(yuǎn)高于太陽；第四，相干性好，其相干長度可達(dá)數(shù)十公里，而最好的普通光的相干長度只有數(shù)十厘米。

正因為如此，激光在細(xì)胞學(xué)，胚胎學(xué)，遺傳學(xué)，肌肉動力學(xué)，生物工程，醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程等生命科學(xué)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。激光同生命科學(xué)的結(jié)合大致可分為激光生物效應(yīng)，激光生物技術(shù)和激光醫(yī)學(xué)。

激光生物效應(yīng)泛指激光作用于生物體所能產(chǎn)生的物理，化學(xué)或生物學(xué)的反應(yīng)。可分為激光生物熱效應(yīng)，光化效應(yīng)，機(jī)械效應(yīng)，電磁場效應(yīng)，刺激效應(yīng)等。利用其熱效應(yīng)，我們可以對生物組織進(jìn)行氣化，切割，熱殺，熱敷，熱致光強。利用其光化效應(yīng)，可引起生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，如光致離解。激光電磁場效應(yīng)指激光作為電磁波，是在時間和空間上變化的電磁場，而生物體作為介質(zhì)具有電導(dǎo)和電容，在激光電場作用下會發(fā)生一些變化，如電致伸縮，受激布里淵散射激光刺激效應(yīng)指低強度的弱激光作用生物體所產(chǎn)生的現(xiàn)象，如刺激細(xì)菌生長，消炎，鎮(zhèn)痛等。

激光生物技術(shù)是在激光生物效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。這是下面要著重談到的一個重要方面。

激光醫(yī)學(xué)包括激光診斷和檢測以及激光醫(yī)療兩大類。這也是與我們生活所密切聯(lián)系的一片面。近幾年來興起的激光治療近視就屬于這一方面。

治療光角膜矯正術(shù)是通過激光手術(shù)改變角膜的曲率，從而來改變眼球的屈光度，以達(dá)到治療近視的目的。當(dāng)然，這對激光是有很高的要求。首先，所用的激光必須能被角膜幾乎全部吸收，以防止激光穿透角膜損傷眼內(nèi)其它組織。它要求波長小于300mm的準(zhǔn)分子激光和波長在1.88-2.04mm，2.36-40mm的中紅外激光。其次，要盡可能減少對角膜造成的熱損傷。這要求激光密度不能太高（對于準(zhǔn)分子激光為200mj/cm ^2，對于中紅外激光為1-2mj /cm^2），也不能太低，否則時間過長也不利于治療。

激光對近視的治療是激光醫(yī)學(xué)的一大進(jìn)步。而激光的作用遠(yuǎn)非如此，它對基因工程和細(xì)胞工程都有著重要的意義。

DNA是遺傳信息的載體，細(xì)胞傳代時，DNA必須忠實地復(fù)制才能使子細(xì)胞喊含有相同的遺傳信息，從而保持物種的穩(wěn)定。那么，激光在這方面有什么作用呢？科學(xué)界都希望能控制DNA，而控制和操作DNA的關(guān)鍵在于開發(fā)光學(xué)捕捉機(jī)，既利用高度聚集的激光束來清除塑料小球和其他顆粒及其操作微小物體的相關(guān)技術(shù)。通過將微小球體連接在一條DNA鍵的任何一端并且操作激光束，研究者可以監(jiān)測分子的機(jī)械學(xué)，從根本上了解DNA在伸展和扭曲時能承受多大力。而在這一領(lǐng)域的發(fā)展使我們可以用激光控制DNA的復(fù)制，既控制DNA解旋。另外，我們可以利用弱激光通過相關(guān)成像技術(shù),和激光能承載信息，清晰獲得DNA的基因信息。這是激光生物技術(shù)方面。這門新技術(shù)已經(jīng) 取得了不少研究成果，例如：激光外源導(dǎo)入基因法使基因轉(zhuǎn)化，利用激光輻照使染色體突變等；在這方面我國已取得不少成果，如：1988年中國科技大學(xué)用激光在蠶卵上打孔，植入染色質(zhì)引起變異。

激光在細(xì)胞工程上的引用更為突出，它可以導(dǎo)致細(xì)胞融合，線粒體瓦解等。細(xì)胞工程，就是應(yīng)用生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，在細(xì)胞水平進(jìn)行的遺傳操作。近來，激光技術(shù)可以根除腦瘤。它是將一種藥物注射入體內(nèi)，使其附著在腦瘤上，再用激光照射，使藥物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的分子切斷對腦瘤細(xì)胞的供血，再將其切除。由于藥物是附著在瘤細(xì)胞上的，故而藥物的細(xì)胞破壞作用限制在一定范圍內(nèi)，精確得到控制。

這使我們不禁想到能否用激光消滅細(xì)胞內(nèi)的病毒。就我對一些資料的分析和思考，我認(rèn)為這是完全做的到的。這可先從病毒侵入細(xì)胞內(nèi)的方式談起。

病毒侵入細(xì)胞有三種方式，而最主要的一種是病毒在胞飲 作用下進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，從利用激光消滅腦瘤細(xì)胞，可以聯(lián)想，我們能否利用相關(guān)技術(shù)消滅細(xì)胞內(nèi)的病毒呢？理論上是可以的。各種動，又有其不同的特性，歸根到底是它們有著不同的DNA。既然激光可以控制D不同類型的病毒NA的運可以獲悉DNA的基因信息，就完全能透悉病毒的不同特性。然后，我們可以對癥下藥，研制出相關(guān)藥物，并使其進(jìn)入細(xì)胞內(nèi) ，于是藥物便可附著在病毒上。再用激光照射，使藥物發(fā)生作用，切斷病毒與細(xì)胞的聯(lián)系，將病毒孤立起來。接著，藥物便可發(fā)揮藥效，把病毒清除。

另外，我們也可以利用細(xì)胞的胞吐作用使病毒先退出細(xì)胞外，再結(jié)合藥物治療，從而達(dá)到消滅病毒的目的。激光既然可以通過小球來控制DNA的機(jī)械運動，就一頂可以很簡單的控制液泡的機(jī)械運動。具體說來，就是用激光將包有病毒的液泡拉到細(xì)胞膜上，再通過胞吐作用，把病毒排到胞體外。

我之所以說以上兩種方法可行，是因為某些技術(shù)難題以得到初步解決。激光要制細(xì)胞內(nèi)的液泡，必須得先進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，這可以利用電穿孔法加以實現(xiàn)。電穿孔法的基本原理是利用新鮮分離的原生質(zhì)在高壓脈沖作用下在質(zhì)膜上形成可逆的瞬間通道。這原本是用于DNA的提取，在這里我們可以用它結(jié)合光纖的導(dǎo)光性，將激光導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。也許有人擔(dān)心細(xì)胞膜會破裂，其實這種擔(dān)心是多余的。因為細(xì)胞膜有很強的韌性，況且用于導(dǎo)光的光纖可以做的非常細(xì)。另外，近來發(fā)展出來的激光愈合技術(shù)也可以消除人們的疑慮。它是將強性蛋白與傷口附近的組織結(jié)合起來，在紅外光的照射下可直接融入傷口。當(dāng)然，這主要用與外科，但進(jìn)一步發(fā)展下去，完全可以用于細(xì)胞尺寸的組織。然而，在第一種消除病毒的方法種，關(guān)鍵在于如何使藥物很好的附著在病毒上，而不損害細(xì)胞內(nèi)其他物質(zhì)。解決這一問題的前提是很好的了解病毒的特性，我們需要利用病毒不同于細(xì)胞內(nèi)其它組織的特性制造出相應(yīng)的藥物，使著種藥物對病毒有“吸引”作用，與細(xì)胞內(nèi)其他組織不“相融”，從而將藥物控制在一定范圍內(nèi)，只對病毒起作用，而不損傷其他組織結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，利用激光消滅病毒仍然有一些技術(shù)難題。比如說，如何利用激光技術(shù)清晰地獲得病毒DNA的基因情況，如何尋找最有效的藥物？不過，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，這些問題必然會一一得到解決。