浙江大学激光技术与生命科学激光与生命科学.pptVIP

1,生命与生命科学,2,研究的内容:生命的起源、发生、发展、进化 学科范围：人类学、人口学、生态学、环境科学、生物医学，心理学、生物工程、生物信息、仿生学 学科应用：人体工程学、生物医学仪器等等,3,生命的本质,19世纪30年代创立细胞学说 19世纪50年代达尔文进化论 20 世纪30年代基因突变的发现 20 世纪40年代遗传基因DNA发现 20 世纪50年代DNA分子结构的发现，蛋白质合成机制的揭示，各种氨基酸遗传秘码的建立,4,新陈代谢,细胞能进行物质代谢，能量交换，能自身生产和复制，能有效地调控自己的生命活动。 活细胞：原核细胞；真核细胞 活细胞内有各种有机分子由C、H、O、N、P、S等元素组成，还有其他Cl、K、Na、Mg、Ca、Fe、Cu、Zn等微量元素。 水是所有活细胞中最丰富的化合物。,5,细胞分子组成及其层次性,6,代谢的物理方面更多涉及能量代谢。 代谢的化学方面涉及生命物质的降解和建成，总称物质代谢。,7,生化系统的两大侧面合成与分解,8,生命之核核酸碱基的结构,核糖核酸RNA 脱氧核糖核酸DNA,9,DNA双螺旋结构,10,Nobel Prize in Physiology or Medicine Winners in 1962,“for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material“,Francis Harry Compton Crick,James Dewey Watson,Maurice Hugh Frederick Wilkins,11,光和生命,生命的起源离不开光 早期地球上的能量来源,12,科学家已经证明原始大气的物质恰恰就是典型的生命物质。类似地球表面上生命初始时应具备的条件下，已证实可能发生的几种反应。,13,14,红光和远红光对莴苣种子萌发的影响,15,16,不同的动物对于光有不同的适应范围。窄光性动物只需要狭小范围的光照，例如夜出和地下生活的动物。对于多数动物来说，日照不仅是决定昼夜活动的主要因素，且与繁殖、换羽毛、迁徒及其他周期性获得也有密切关系。 对太阳的辐射热，对动物也有直接或间接的影响。许多变温动物被太阳晒热，体温上升到一定水平后才能开始活动，此后的体温则靠肌肉的活动来维持。恒温动物利用阳光来取暖的，不仅昼夜的哺乳类进行“日光浴”，鸟类特别是幼鸟也经常进行“日光浴”。 从根本上说，没有光地球的的一切生命都不可能生存。,17,核酸的生物效应和光生物学问题,光和生命息息，生命的起源、发展、进化、生存都离不开光。不同波长光的照射，会引起不同的反应。如DNA分子在紫外线的照射下，会引起失活、变异甚至癌变。研究表明，与此有关的大多数生物效应与DNA分子水平的物理的、化学的变化有关。 1、核酸的辐射效应,18,2、胸腺嘧啶二聚体 胸腺嘧啶二聚体是由Beukers和Berends与1960年发现的，开辟了核酸光生物学的新纪元。 在用紫外光照射DNA后，可以生成胸腺嘧啶二聚体。 （1）在280nm附近的紫外光照射下，胸腺嘧啶二聚体的生成效率最高。 （2）UV光照射下，某些细菌死亡，但有些没有，研究发现主要是胸腺嘧啶二聚体有“修复”的功能。 （3）胸腺嘧啶二聚体越多，对UV光越敏感。 （4）二聚体与光照胸腺嘧啶产生不成对电子密度成正比。 （5）胸腺嘧啶二聚体大部分是经过激发三重态而不是激发单态而形成。,19,生物工程,生物工程是技术革命的三大支柱（为电子技术、材料科学、生物工程）之一。,20,重组DNA的方法,21,激光的生物效应,激光生物效应是一个内涵很广泛的概念，一般是指激光作用于生物体可能产生的生物效应，不仅取决于激光的照射参量，而且决定于受辐照物体的性质，情况比较复杂。,22,激光生物效应大致有： 激光生物热效应 激光生物光化学效应 激光生物机械效应 激光生物电磁效应 激光生物刺激效应,23,生物物质结构及生物组织光学性质,生物物质结构 细胞构成生物物质的最小单位是细胞。 动物细胞：细胞膜、细胞质、高尔基体、核液、染色质、核仁、核膜、内质网、线粒体、核孔、核糖体、中心体等 植物细胞：细胞膜、细胞壁、细胞质、叶绿素、高尔基体、核液、染色质、核仁、核膜、内质网、线粒体、核孔、核糖体、中心体、液泡等,24,组织组织由细胞和细胞间质合成，人体组织有4类上皮组织、结缔组织，肌肉组织和神经组织。 （1）上皮组织：其细胞有单层或多层膜覆盖或衬托表面。上皮组织的功能是防护、调节分泌和吸收物质。上皮组织有简单鳞状组织、立方或柱状组织。简单鳞状组织是一层扁平细胞，血管的表皮就是鳞状组织，它有利于电介质的迅速扩散。 立方或柱状组织细胞为立方形或柱形，气管、食道和膀胱的上皮就是有这种细胞构成。,25,（2）结缔组织分为纤维组织，蜂窝组织、脂组织、骨组织和弹性组织。血液和淋巴也称流体组织 结缔组织：结缔组织包括细胞和无生命物质，如纤维和胶性物质，有它们把细胞组织连于骨骼。 结缔组织含有许多细胞间质，它们承担在细胞间运输物质的任务。 骨和腱是专门化了的结缔组织。 真皮下的结缔组织包含胶原纤维和弹性纤维，它们赋予皮肤坚实和弹性的机械性能。,26,（3）肌肉组织：肌肉组织的细胞长140mm，直径可达40m。 肌肉组织有大量血液供应，所以富有血管和微血管以及相应的结缔组织。一般肌纤维连成束，外有鞘。 骨骼肌为有规则的纹状结构。这种结构像光栅一样曾永远量度蛋白质丝长、间距和肌肉收缩是的运动。,27,（4）神经纤维：神经纤维用于感知、调节和控制人体活动，其神经细胞胶神经元。 神经元有短突和长的轴突，长的类似传输线。神经元遍布全身各个角落，其作用将信息传入中枢神经或从它将信息传出到器官、肌肉、腺体等。,28,红细胞 人体皮肤表皮、真皮和皮下组织。,29,生物组织光学,研究生物组织中光的分布以及光辐射的相互作用等基础问题。 血液的光学性质,30,皮肤的光学性质 光辐射作用于皮肤的情况,31,光在混浊介质中传播的库伯尔卡蒙卡模型,32,33,A,34,人眼,35,人眼的光学性质,36,激光生物热效应,激光对生物体的热作用主要通过两种途径实现 碰撞生热：生物体吸收可见和紫外激光后，受激的生物分子可能将其获得的光能，通过多次碰撞转移为邻近分子的平移能、振动能和转动能，使受照体温度升高。 吸收生热：生物体吸收红外光后，光能转变为生物分子的振动能和转动能，使受照体温度升高。生物组织的红外吸收区主要在2.86.3m，吸收峰位置与水相近。 热作用的具体表现是：生物组织的汽化、切开、热凝、热杀和热敷等。 热作用的形式取决于，（1）激光波长、模式、功率密度、照射时间等。（2）生物组织的反射、折射、吸收、散射、密度比热、热导率、热扩散率、热传导率系数、色素类型、分布和密度、血管分布、血流量和血速。,37,激光汽化,汽化的过程 4748C，出现水泡。 5560C，热致凝固 100C，热致沸腾 300400C，热致炭化 500C,可能热致燃烧 573C，热致汽化,汽化深度和时间关系,38,激光切割,激光切割同激光气化主要区别在辐照光斑的大小，切割的光斑要小的多，可以说激光切割是是线状气化。,39,光化定律,罗格索斯德雷伯光化吸收定律（光化第一定律）： 光必须被吸收才能提供光化反应和光生物反应的能量。 换句话说，只有被分子吸收的光子，才能在系统中导致光化反应。,40,激光生物光化效应：在光的作用下产生的生物化学反应。生命物质之所以能生长、复制、发育、修补、替换、繁殖，以及生命物质之所以能够活动，生化反应起着决定性作用。如视觉作用、光合作用、光敏