物超弱发光的研究历史、特点及在医学领域的研究应用现状，展望生物超弱发光在法医学，尤其是死亡时间推测和损伤方
面的研究应用前景。
【关键词】生物超弱发光；
法医学；
死亡时间；
损伤
【中图分类号】R919
【文献标识码】B
【文章编号】1007—9297(2005)01—0051-03
The appficafion prospect of the USE of bio-photon emission in forensic science． ZHU Xin ju． WANG Zhen-yu．o~, YU
0 un，et a1．Department ofForensic medwine，Xi ∞Jiootong university,Xi ∞ 710061
【Abstract】 Because of the bio—photon emission (BPE)from biological system carries the important information of
metabolism and energy transformation of the living biological system including human， so that BPE s research will become an
important research field in life science．This paper reviewed BPE s research history，characters and advances in medical field，
and presented the initial prospect of future use in forensic science esp．in postmortem interval and injury．
【Key words】Bio-photon emission；
Forensic science；
Postmortem interval；
Injury
生物超弱发光(Bio—photon Emission or Ultra—
weak Bioluminescence，BPE)是生物体进行新陈代谢
过程中细胞自发辐射极微弱的光子流，以及细胞受外
界激发光消失后仍保持的极其微弱的延迟发光．其强
度仅为100～104光子／(cm2(s)。[11 BPE广泛存在于动
物、植物以及单细胞生物之中．是反映生物体本原的
与生命活动过程有关的信息。用灵敏的现代光子计数
技术对BPE进行初步研究表明，动植物的不同生理
活动过程，存在不同强度和特征的超弱发光 超弱发
光与生物体的许多重要生命过程，如氧化代谢、信息
传递、细胞分裂、光合作用和癌变、死亡及生长调控等
存在着内在联系，已成为生物光子学的重要研究方向
之一，[21在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境检测
等领域可有重要的应用。本文回顾BPE的研究历史、
特点及在医学领域的研究应用现状，从法医学角度展
望生物超弱发光在本学科的研究、应用前景。
一
、BPE的发现和研究历史
生物超弱发光的发现，可追溯到上个世纪20年
代。早在1923年，前苏联科学家G．Gurwitsh在著名的
“洋葱试验”中就已发现并证明了超弱发光现象。[31到
了60年代，前苏联科学家对超弱发光进行了大量研
究，Mamedov对90余种生物的测定发现．除蓝藻和原
生动物外，所有生物都有不同程度的发光．证明了超
弱发光的普遍性。[4／Slawinska等更进一步提出任何生
命物质都存在着超弱发光现象。『5】80年代以后，BPE
的研究已在前苏联、美国、13本、欧洲以及我国展开．
并已开始向细胞、亚细胞及分子水平深入。到目前为
止，人们已经对超弱发光的机制、测试仪器及其应用
开展了大量研究工作
二、BPE的特点
BPE极其微弱，[61生物系统表面每平方厘米／秒
(om ·s一1)发射的光子可以从几个到几百个，这一强
度相当于远在10公里甚至100公里外一根蜡烛发出
的光。分裂的细胞比休止的细胞发光强，并主要在细
胞分裂前期发射，所以称有丝分裂发光。发射光谱很
宽，至少覆盖从紫外到红外的整个光谱区。BPE的值
和生物进化程度成正比，进化程度越高，其BPE值越
大，辐射的波长越向红外扩展。发光强度与生物系统
的生理和生物学功能有多方面的联系：超弱发光强度
与细胞的种类及其所处的代谢状态有关，如正常细胞
【作者简介】朱新菊(1979一)，女，江苏人，在读法医学硕士，主要从事法医病理学研究。
Tel+86—29—82655472．E-mail：wzy21 8@mail．xjtu．edu．cFi
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的延迟发光强度随细胞浓度的增加而减小．而肿瘤细
胞则相反．肿瘤生长旺盛期大鼠血清的超弱发光与对
照鼠的相比偏差最大：对各种物理和化学因素很敏
感，几乎任何一种化学物质都能影响细胞发光的强
度。
三、BPE的来源和可能机制
生物体在进行生理、生化反应的过程中，处于基
态的原子或原子团获得能量．其电子从基态跃迁到激
发态，处于激发态的原子或原子团不稳定，将释放多
余的能量回到基态，能量的释放伴随有热、电离和光
子的发射等，其中能量以光子形式释放的过程称为生
物的超弱发光。
代谢和核酸合成是生物超弱发光的两大主要来
源，萌发绿豆中这两者之和约为96％。吲代谢发光又
主要来源于氧化还原等代谢过程，如脂肪酸氧化、酚
和醛的氧化、H 0 的酶解、花生四烯酸的氧化、儿茶酚
胺和单宁的过氧化，醌的氧化裂解、蛋白质和氨基酸
的氧化等。氧化剂D 0明显增强血红素蛋白的发光强
度、呼吸抑制剂NaN，对萌发绿豆超弱发光的抑制达
72％等都是极好的例证。[71Wright JR等通过小鼠肝脏
微粒体的化学发光与脂类过氧化的研究，证明脂肪酸
氧化是超弱发光的主要来源之一。[81代谢发光机制包
括了活性氧生成与控制两个方面，能较好地解释自由
基引起超弱发光的可能性。由于活体内的氧化反应速
率受抑制剂的控制，如生育酚、过氧化物酶、过氧化物
歧化酶、维生素A、维生素C等都能清除活性自由基．
因此，生物在代谢过程中产生的大量自由基不可能使
超弱发光强度太高．但是当生物体内的天然阻氧化剂
和氧化脂类之间的平衡被打破后．将导致发光强度瞬
时剧增，出现“闪光现象”。
核酸DNA和RNA 的合成反应是超弱发光的另
一个来源．它在绿豆种胚超弱发光中约占24％，其波
长在190～325 nm的紫外波段．[21与代谢发光的光谱范
围有所不同，用代谢发光难以解释。因此，分裂发光与
代谢发光可能有不同的来源和机制，Popp等提出过
DNA光子贮存假说和分化的物理模型。[91 Rattemeyer
等根据溴化乙锭对超弱发光的影响．也初步证明了
DNA是一个超弱发光源。[101马文建等还对DNA发光
特异性进行了研究，结果表明在所有碱基中只有鸟嘌
呤能够发光，且发光强度与浓度(亦即DNA浓度)成正
相线性关系。lI】】
四、BPE在医学领域的研究现状及应用前景
尽管生物超弱发光的机制研究还有待深入．但超
弱发光研究所揭示的生命科学命题．已经展示了光辉
法律与医学杂志2005年第12卷(第1期)
的前景。近年来，光子学技术在生物特性研究中的作
用越来越突出．已成为一类新的生命科学的研究工
具。这种研究方法可能成为研究细胞信息传递、调控、
分化、识别等基本过程的重要工具．进而发展人为调
节超弱发光来实现对生命过程的控制。[11目前在医
学、药理学、农业、环境科学及食品科学等方面，对
BPE均有深入的探索。
对临床实践来说，血清的超弱发光较为重要。血
液的超弱发光可以作为一种灵敏、快速简易的生物物
理指标，对血液发出的生物光子进行测量和分析可以
揭示疾病的发生或者提供先兆。罗金梅报道了人体体
表的生物发光随年龄的增加而增加，而且吸烟人的生
物发光普遍高于同龄正常组。[11马玉琴等发现癌症患
者血液的发光强度明显高于对照组，且有显著性差
异，通过对人体血液的超弱发光测量，可以进行癌症
患者的早期诊断。
超弱发光对于鉴别肿瘤和炎症也
是极其有用的指标。顾樵曾报道利用生物光子鉴别肿
瘤和炎症，鉴别率达100％。超弱发光与许多生理生化
反应有关。对绵羊精子的研究发现，发光强度与活力、
呼吸、果糖酵解、磷酸肌酸呈正相关，这种发光与活力
和能量代谢间的内在联系，反映了精子能量转化过
程，是评价精液品质很有价值的指标。[131此外．超弱发
光还可以用于检测病人对药物过敏的情况 在患者血
清中加入待检药剂，观察其发光变化。与健康人相比，
耐药病人的发光值高2～3倍．对药物敏感的病人发光
值高6～8倍。
生物医学光子学被预测将在以下8个领域有所
发展：光动力学医疗、激光和组织的相互作用、无透镜
显微术、在血液化学分析中的进展、癌症的光学显示、
利用激光检测DNA、伤害最小的光子设备、一体化的
激光和成像系统。lI4】
五、BPE在法医学的应用研究展望
(一)BPE运用于死亡时间推测
目前死亡时间的估计．尤其是早期死亡时间的估
计尚无精确可靠的方法。生命的终结是一个逐渐发展
的过程，从生到死没有一个截然的分界线。通常死亡
是指个体生命的终结而言。从生物学角度来说．机体
内各种组织、细胞并非在同一时间进入死亡。临床死
亡发生后，由于机体各种组织对缺氧的耐受性不一．
故心跳停止后．各种组织细胞也会经历一段长短不一
的缺氧期．逐渐发生各种缺氧性改变，最终发展至生
物学死亡(也称细胞性死亡)。在这个阶段．细胞内的
“自由基”复合反应以及DNA的构象必然会随死亡时
间的延长发生一系列的变化，因此超弱发光也必然会
法律与医学杂志2005年第12卷(第1期)
随之产生一系列变化。此时利用生物光电技术定时测
量细胞辐射出的生物光子数，就可以得到生物光子与
死亡时间的关系。研究发现，离体的不同发育时期的
鸡胚神经细胞发光有很大差异，9天以后的鸡胚神经
细胞有明显的特征曲线。该曲线的产生与外界温度、
氧、电场作用和光照等因子有关。温度由41 降到
37 过程中，发光强度亦降低，同时最大峰位置后移，
但当温度低于37 时。则特征曲线变得不明显；
外界
电场和光照能使发光迅速增加，但不能改变发光曲线
的特征．且移去外电场后，能迅速恢复到原发光水平。
『l5】既然发育时期的BPE可出现特征曲线。是否死亡时
BPE也会出现特征曲线，这有待于开展进一步研究。
(二)推断损伤时间、形状、程度和伤口愈合时间
机体受损后．组织细胞的生理活动和形态功能发
生不同程度的改变。故其超弱发光的强度和特征也会
随之出现不同程度的改变。Balasigamani等在鼠背部
损伤BPE测量的实验中发现。损伤后即刻获得的生
物光子的二维图像。未显示明显的伤口形态和定位；
损伤48 h后。显示出伤口形态，且光子密度持续上
升；
随着免疫系统的激活。光子密度在伤后3—5 d达
峰值；
伤后第6天，光子密度开始衰减；
在伤后第8天
伤口完全愈合。图像不再显示明显的伤口形态；
痂脱
落后光子密度又恢复到正常状态。【1句研究损伤后BPE
的强度、特征、分布随损伤时间的变化规律，有利于更
加精确的推断损伤时间、损伤程度等，同时也能在一
定程度上反映损伤性质以及致伤工具的特征。
(三)BPE应用于法医学的可行性
顾樵对鱼肉的新鲜度与光电强度进行了深入的
研究．建立了鱼肉的新鲜度与光电强度递减的方程
式。
由于生物超弱发光辐射出的光子呈量子状态，
运用该法对人尸体进行研究．可以精确计数。较之以
往根据尸温测量、DNA降解程度的图像分析等方法
具有极大的优越性。因此可用来对死亡时间等进行前
所未有的精确推断。由于肌细胞耐缺氧能力强，在躯
体死亡后．肌细胞的存活时间较其他组织要长，故其生
物发光的能力也较其他组织要强，易于测定。目前，已
有商品化的生物光子测定仪面世，运用该仪器进行动
物试验测定动物死后肌肉的BPE变化。在人尸体上取
心肌和骨骼肌重复动物实验过程。校正动物试验数据。
建立人体死亡时间与肌肉组织生物光子变化的方程
式．从而根据方程式及测定的BPE值来推断死亡时
间。
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此外，生物光子学的其他研究成果也可借鉴运用
到法医学中。如无透镜显微术等可作为继电镜之后的
又一法医病理学研究的重要手段；
利用激光检测微量
检材中的DNA，在法医物证鉴定中具有重要意义：一
体化的激光和成像系统将成为继CT、MRI之后的新
型检测装置．在法医临床的损伤鉴定中发挥重要作
用。环境监测中运用生物发光技术对废水、废液中重
金属及致病菌进行检测。灵敏度可达十亿分之几的数
量级，显然，这些技术对法医毒物分析的发展也将产
生巨大的推动作用。
参考文献
[1] 吕可诚，张春平，张光寅，等．生物光子学进展[JJ．光子学报，1997．
26(12)：1123-1129
[2] 王维江，韩俊英．生物超弱发光机制及其检测方法研究进展[-l】．广
东工业大学学报，2000，17(1)：49～54
【3] Gurwitsch A G．Die nature des spezifischen erregers derzelteilung
[J】．Arch Entw Mech Org，1923，100：1 1-40
[4] 聂继云，彭运生．生物超弱发光及其应用研究概述[J】．激光生物学，
1998，7(2)：124-130
[5] Slawinska D．Chemi-and Bio-luminescence[M]．Marcel Dekker Inc．，
NewYork，1985，495
[6J 刘颂豪，孟耀勇，刘承宜．生物光子特点及其可能机制[J】．激光与红
外，1997，27(2)：67-69
[7] 毛大璋，沈恂，张月敬，等．代谢抑制剂对萌发绿豆超弱发光的影响
[J】．生物物理学报，1988，4(2)：116-120
[8] Wright J R．The relationship between chemi-luminescence and lipid
peroxidation in rat hepatic micmsomes[J]．Archives of Biochemistry
and Biophysics，1979，2：344-351
[9] Popp F A．Electromagnetic Bio-Information[M]．1st ed．Urban and
Schwarzenberg，1979．123
[10] Rattemeyer M． Evidence of photon emission from DNA in living
cells[J]．Naturw Issenschaften，1981，68：572~573
[11] 马文建，曹恩华，张健，等．Phen—Cu—Vc—H202体系中DNA化学
发光的碱基特异性[J】．生物物理学报，1997，13(2)：279-282
[12] 苏震，马玉琴，张仲纶，等．血清的超弱发光对胃肿瘤术前术后监
测的临床意义[J】．中国肿瘤临床，1994，21(12)：903~905
[13】 WenbinYue．Study on super weak luminescence of sperm[J】．Chi—
nese J Animal Science，1993，4：1 1-12
[14】朱延斌．生物光子学和光子生物学的崛起fJ】．光电子技术与信息，
1996，9(2)：5-7
f15】 张锦珠，于文斗，孙彤，等．鸡胚完整脑的光子发射和光激发光研
究[J】．中国科学(C辑)，1996，26(6)：481-486
f16] Gu Qiao．Photon Statistics in Ultraweak Photon Emission form ／．iv—
ing Systems．Bull Am Phys Soc (USA)，1998，1636
【1 7] Masaki Kobayashi，Motohiro Tak~a，Tomoo Sato，et a1．In vivo
imaging of spontan eous ultraweak photon emission from a rat S
brain correlated with cerebral energy metabolism and oxidative
stress[J]．Neuroscience Research，1999，34：103-1 13