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揭开人眼神秘面纱(5)-----太赫兹(THz)与人眼

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发表于 2017-7-25 16:05:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
揭开人眼神秘面纱(5)
Uncover the mystery of the human eye5)
-----太赫兹(THz)与人眼
都世民(Du Shimin)
人眼是人的视感系统的重要组成部分,它也是探索小宇宙的最主要信息源,它还是人类探索的肉眼可見器官。近些年来,太赫兹频段发展迅速,它的应用范围頗广,已引起诸多学科的研究者很大关注。夲文讨论太赫兹研究与人眼的关联。
三议生物学家为何不应用麦克斯韦理论?
在以前的博文中,已两次讨论这个议题。下面再次讨论。
20121月,科学出版社出版了“未来十年中国学科发展战略”,由中科院、国家自然科学基金委员会共同编写的。书中指出:“神经科学面临的第一个大问题是:目前我们还没有关于脑如何工作的真正的理论假设。我们并不清楚信息在脑内是怎样被处理的、存储的、提取的,运动指令是如何产生并执行的,如何思考、产生情感和同情心。因此,必须整合分子细胞、突触、系统和心理等水平的研究,而目前无论知识还是技术均还未足够成熟到整合所有这些功能层次的程度。”
美国加州理工学院地球物理学家Joe Kirschvink说:找到负责触发这些神经元的磁受体,就像大海捞针一样困难。没有明确的感觉器官可供解剖,而磁场总是在无形之中扫过整个身体。“受体可能在你的左脚趾里。”
在笔者看来人的视觉感官中肯定有电磁场,因为可见光就是电磁波!为什么地球物理学家Joe Kirschvink找不到磁受体?视觉感官就是磁受体!生物学家利用显微技术看清了人眼微观结构,也找到了宏观与微观分界处,却搞不清运行机理。问题在哪里?
1)1854年,电磁学之父麦克斯韦在年青时代,就开始研究人眼和动物眼睛,发表了鱼眼透镜的论文,提岀了变折射率的概念。这是人眼成像和扫描不可缺少的部分。
2)交变电磁场信号是肉眼不能见的物质,生物学家肉眼见不到,用显微技术也见不到电磁场却又感受到,就是找不到观测方法!
3)研究人工视觉感官的专家是熟悉电子学科,研制的微电极阵列MEAmulti-electrode array)记录系统MEA只检测细胞外场电位,不能显示交变电磁场信号。实际上这些研究不能融入人眼,它"吃的"是电,它无血液。現在人工智能技术想让机器"嫁接"到人体上,怎么跨越血液供给能量这座山?去掉电呢?似乎不可能。
4)奇怪的是近代医学、生物学和物理学等学科在论述眼结构和工作机理时,都不涉及微小光学和微观电磁学研究的相关内容。微小光学专家在研究变折射率透镜时,他们重新记忆起麦克斯韦的魚眼研究,在继续探索和仿制,他们也意识到应介入生物学。
5)生物学家用干细胞体外培育人眼已有成效。但没有功能。问题在哪里?受精卵体外培育人眼也能成功,这两种方法有什么差异?能否揭示视觉感官的机制?目前看来希望渺茫。
6)随着电子技术的发展,无线电频谱逐步由微波朝毫米波、亚毫米波转变,再向红外频段、激光频段发展在这一趋势中,太赫兹频段的研发应运而生,它的研究范围由宏观转向微观,这就使研究者想到了生物研究,它提供了在体观测和不在体观测(取样)。这一变化被生物学家捕捉到了,与电磁学结缘,给生物学发展提供了强大推力,有人说会产生革命性变化。
7)以上归纳不难看出,人类探索小宇宙,想从大脑破解,其实大脑只是处理生命信息中间环节的器官,既不是起点也不是终点。以为大脑就是电脑,以为仿效电脑,利用超级电脑就能破解小宇宙,淡化了基础物理,找不到合理而有效的建模,以致于感到迷茫而减速。太赫兹的快速兴起,电磁学的延伸,提供了新的思路和方法,给小宇宙探索提供了新的动力。
什么是太赫兹( THz)?
太赫兹是无线电波,它的频率上下限有多种界定。太赫兹频谱的高频端与远红外频谱重叠,低频端与微波频段重叠。一些研究者将(0.1mm--1.0mm)波长范围作为太赫兹波段,而其他研究者将太赫兹波段范围扩展至波长为30μm。太赫兹是介于光和微波之间的一段频谱,其频谱范围也有研究者界定为0.1THz - -10THz(波长3mm - 0.03mm)。这一未被开发的电磁频谱,也被称为“太赫兹空隙”。
一个新波段的研制,首先要开发波源,即辐射源;另一部分是检测设备,也是接收设备。术语“太赫兹”指的是无线电频谱中相对窄的部分。尽管频谱比较窄,但它与其它频段一起,例如,可见光频段,它们在生命科学的基础研究中,发挥着极其重要的作用。目前还没有人质疑这个频段的辐射效应对生命体有危害,但有关太赫兹波段的研究,仍然不能明确界定其频率范围。不同研究者,给出的频率范围的界定是不一样的。
人的眼睛能看见物体,必须有可见光。可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,可见光谱没有精确的频率范围;一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400760nm之间,但还有一些人能够感知到波长大约在380780nm之间的电磁波。这段频率范围必然是太赫兹波段的延伸。
为什么要关注太赫兹研究?
1)生物体对太赫兹波有特殊的生物效应。
太赫兹已经广泛应用于生物学系统。现在,关注生物分子系统的响应,而不是生物体。至于生物分子的研究,分为大分子和小分子。小分子包括单独的核苷酸、葡萄糖、蔗糖、单独的氨基酸、小的药物分子,比如,布洛芬和发色团,例如,亚铁血红素和视黄酮。这些分子平均含有,如一个分子含有20个原子。其中一个或几个键的共振频率落在红外频段,整个分子的共振波长是在50 - 12500px^-1
2)太赫兹研究提供了分析生物分子的新方法
生物大分子包括蛋白质、多肽、DNA和RNA分子。这里,我们区分三级结构的大分子和具有衍生二级结构的大分子,但不是那种明确定义的三级结构。DNA链至少有四个核苷酸,双螺旋结构,但是长双螺旋链却没有明确的结构,更像无规则卷曲。自然态的蛋白质有明确的结构,但是这种结构不是静态的。结构的运动对蛋白质—蛋白质与蛋白质—配合基的相互作用是必不可少的。这些运动是普遍的,具有相关性。人们已经应用很多方法来测量这些运动,其中应用的方法是:中子散射和x射线散射。遗憾的是,这些技术大都只能分辨与运动相关的结构和局部的扩散运动。
太赫兹研究提供了分析生物大分子结构、性质,提供鉴定工具,还能调节和操控还些大分子。这种方法有较高的时间分辨率和灵敏度,性噪比高,频带很宽。
3)太赫兹研究很安全
太赫兹研究所辐射的能量很小,只是x射线辐照的能量的百万分之一,不会产生电离辐射效应,是很安全的。
4)太赫兹研究适合生物组织的成像。
太赫兹研究生物组织的成像,这一领域的研究进展非常快,所以倍受关注。2004年,被美国政府评为:"改变未来世界的十大技术之一"。2005年,日本也将太赫兹研究列为"国家支柱第一重点战略目标"。太赫兹研究生物学作为重要研究方向。
5)太赫兹技术可用于人眼的研究
人眼的视网膜上有视细胞,它包含上述生物分子,从分子层面研究视细胞,可以利用太赫兹技术。
6)太赫兹研究生物医学
太赫兹研究生物医学包括以下内容:疾病诊断、检测受体、标记DNA测序、蛋白质状态分析、生物组织对太赫兹波的折射、反射、绕射和吸收观测,寻找差异,由此分析生物组织的相关问题和内在机制。
7)太赫兹研究生物效应
这也是研究太赫兹波与生物组织的相互作用,涉及分子、细胞、组织、器官、系统、个体多层面的研究范围,可能展示层面的链接,在不同环境条件下检测,例如,在体、离体、液相不同环境条件下检测。
8)国际关注太赫兹研究
以前开展的太赫兹( terahertz,THz)辐射波源及探测的研究都是应用Auston开关,这是由贝尔实验室的Auston 等人研制的。在经历了近几十年的技术发展与理论研究后,于21世纪初,已成为多个国家大力发展的重点研究技术之一。与此同时。太赫兹科学技术作为国际学术界公认的具有非比寻常性的交叉前沿研究领域,发展到今天达到了一个新的研究高度,在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面展现了广阔而诱人的应用前景,并将推动基础科学研究、国民经济发展、国家安全反恐和新一代IT技术产业的大力发展。
基于上述诸多因素,生物医学必然会关注太赫兹研究!太赫兹研究也会关注生物医学研究,关注小宇宙探索。
视细胞极性与协作之谜
小宇宙信息的前端是感官,视觉 感官获取信息占比最大,这一看法应该有共识。人的视感系统是否研究清楚了呢?显然不是。笔者前面博文已阐述视感系统的复杂性,面临的问题严重性,解决问题的艰难。下面只从微观层面细胞的"有序排列与相互作用"多种解释,来讨论多学科问题。
1)基因决定取向
1710科学家从昆虫毛发入手,就开始仔细研究细胞和分子机制。不同的基因可能形成了—个系统,控制着细胞的方向感。常规的方法是通过鉴定和研究极性系统有缺陷的果蝇突变体,从而推断该系统是如何正常工作的。卷曲蛋白(frixed)的基因和“蓬乱基因”(dishevelled  gene))发生改变后,果蝇的很多毛发都指向错误的方向。
2)地球磁场与“第六感”
2015-11-18 ,参考消息网曾发文:北大发现磁感应蛋白
或揭开“第六感”之谜,北京大学生命科学学院膜生物学国家重点实验室谢灿研究员及其研究团队,通过对果蝇基因组实验,发现了一种蛋白质复合体,可以在磁场中定位方向,并在多个动物物种中找到了这种蛋白基因。研究人员将其命名为磁感应蛋白(
MagR)。这种磁感应导航可看成动物的“第六感”。不难看出,北大发表的研究论文所说的研究对象也是果蝇。指出的蛋白质极性也与环球科学报道的结论是一致的。北京大学研究团队的这个试验,仅发现一种现象:发现了一种像聚合物的蛋白质——磁感应蛋白。这种蛋白质会和光敏隐花色素蛋白(简称Cry)的组成部分结合在一起,自发地和外部磁场对齐。研究者认为是与地球磁场磁感应结果。
多个研究团队研究对象及蛋白质具有极性的结果是类似的。但解释其机理有差异。北大强调地球磁场影响,是第六感官形成。下面研究则认为是生物体组织成长过程受极性控制,才形成规则排列。
3)平面极性(planar polarity)决定取向
《环球科学》,2016年第4期,以“每个细胞都知道方向”为题,阐述了一种“细胞平面极性定位”法。这篇文章所述的细胞“平面极性”定位法,涉及三个要素:细胞内蛋白质、特定基因、平面极性。所谓平面极性(planar polarity)是指组织层的不对称性。由于组织层有这种不对称性,复杂的生物组织才不需要在各个方向上高度对称,不同的部位也能高度特化。例如,耳蜗管一端的纤毛能够区分高频率的声音,而另—端的纤毛则能够检测到低频率的声音,且当整个器官旋转时,这种特性仍然不受影响。这篇文章所述的生物体结构的演变有独特的“指南针”。才使生物组织有这种高度对称,每个物种有自己特有形态。
4)
黑视素的“光天线”
由瑞士和德国科学家组成的研究小组曾开发出一种新的光基因学工具,设计出作为门控的光激活蛋白,让特定信号进入特定细胞。也就是保留目标细胞的自然信号路径,只是修改它,让它能接收光,而不需要前面神经元释放的神经递质。研究人员制作出一种嵌合感光蛋白(Opto-mGluR6),由黑视素(视网膜感光色素)的感光区和ON-双极细胞代谢型谷氨酸受体(mGluR6)拼成。黑视素的“光天线”能抵抗褪色,无论光照射的频率多高,强度多大,嵌合蛋白的反应力度也不会减弱。而mGluR6是化学受体,将其变成光激活受体后,能保证高度的光敏性和快速的“正常”响应性。Opto-mGluR6由两种自体视网膜蛋白组成。
5)分子蛋白质
西班牙研究团队发现:细胞之间如何协同动作?生物学家认为在多细胞有机体的细胞交流中,既存在传递信息的分子,也有类似“天线”的蛋白质, 从细胞表面接收外部信号。这类特殊蛋白质被称为受体,按功能不同,可分为三类:
第一类位于细胞膜上,为钙离子、钠离子和氯离子等打开或者关闭通道;
第二类也位于细胞膜上,是由蛋白质组成的酶分子,它可以与配基结合,通过化学反应,产生如信号发射器般的分子;
第三类是G蛋白偶联受体。它们会干涉细胞的交流过程以及对环境刺激的感觉。它们接收到的信号中有激素、神经递质、离子等。参见《环球科学》,2016年4月号,总第124期。
6)
间隙连接跨膜蛋白
间隙连接是动物细胞中通过连接子(connexons)进行的细胞间连接。这是早先对间隙连接的定义。这是被认为细胞间通讯的连结通道。(见百度词条“间隙连结”)。
所谓间隙”,有两层含义,其一是在间隙连接处, 相邻细胞质膜间有23nm的间隙其二是在间隙连接的连接点处双脂层并不直接相连,而是由两个连接子对接形成通道,允许小分子的物质直接通过这种间隙通道,从一个细胞流向另一个细胞。
连接子是一种跨膜蛋白。每个连接子由4个或6个相同或相似的连接蛋白(connexon)亚基环绕中央形成孔径为1.52nm的水性通道;相邻两细胞分别用各自的连接子相互对接形成细胞间的通道,允许分子量在1200道尔顿以下的分子通过。科学家发现在相邻细胞的细胞膜上,各有一块大而扁平的斑块结构,紧贴在一起,在这些连结处,细胞间隙很小,只有几纳米,间隙不是空的,里面填满了。 研究者发现两细胞靠近时,可以相互协作,产生的扁平斑块结构扩张和成熟。细胞间通过的电流也随之增加。形成的这间隙通道内充满了颗粒大的粒子。每个间隙通道都有结合素蛋白分子构成。这种间隙连接不是永久性结构。
综上所述,对细胞排列和相互作用是生物学研究和太赫兹研究的共同目标。
不同的研究团队,用不同的视角,得出了不同的结论。细胞的整齐排列和相互作用,是肉眼可见的,这之间是有冲突的,这就是交叉学科形成的难题!可归纳为:
a)在视觉感官,视杆和视锥细胞约有1.3亿个,它们怎样同步运行?它们的整齐平行排列,被垂直安放在视网膜上,靠什么因素促成?
b)生物学研究的基本单元是细胞,太赫兹研究的基本单元是分子和原子。
C)生物学研究的细胞连接方式是映射的虚拟神经网络;太赫兹研究的分子是分有极性和无极性。它们的相互作用是用偶极矩概念。
d)生物学研究是基于有线传输的离子通道;太赫兹研究是基于无线传输的电磁场概念。尽管也有生物学家提出光天线概念,来解释相关问题,概念不同。
多学科交叉破解小宇宙难题
几年前笔者曾写过一篇博文:"探索小宇宙路在何方?"如今再来思考这个问题,感受就不同了。
1)微观电磁学
在微观世界中,用电磁场与电荷的相互作用来描述电磁场与媒质的相互作用。辐射波长对相互作用的强度和电荷类型及尺寸起着重要作用。对于太赫兹辐射,这样的研究方法也同样适用。然而由于太赫兹辐射的波长相对较长,只与较大的研究单元如晶体,才与太赫兹场有相互作用。
在微观世界,上述相互作用可以通过不同的机制观察,例如光波的相互作用,可通过光的折射、反射、绕射来观察。当光波入射到均匀的各向同性或各向异性介质上,可观察到光波的折射和反射。折射用实数折射率描述,反射用媒质的反射系数描述。当媒质吸收光时,这两个物理量分别被复折射率和复反射率概念代替。在近场和远场区域,光的衍射都能观察到。如果媒质有规则特征,如凹槽,或空间折射率变化,衍射可在入射光束的传输和/或反射模式中检测到。如果凹槽或空间折射率变成不规则的或随机的,那么会观察到光的散射,它是折射、反射和绕射的综合,它们是紧密联系的。理论上很难描述光的散射,除非是典型的散射单元,如球体,它遵循米氏散射法则.。
2)太赫兹波谱学
太赫兹波遵从经典的折射和反射定律,但对于尺寸较大的散射单元,如结构里面的气孔,可能发生散射。在弱散射模型的框架内,有效媒介的模型如麦克斯韦加内特和布莱格曼模型,可用于近似描述媒质在太赫兹区间的光学常数。
时域太赫兹光谱学的优势是能获取相互作用场的幅度和相位信息。可通过这些测量数据求得复折射率或反射系数。由于复折射率是材料参数,那么就可以利用太赫兹传输或反射时,显示不同的频谱特性,来识别不同种类的媒质。在理想情况下,应该能够较容易地得到已知或未知媒质的复折射率。然而,实际情况并非总是如此。因为实验装置、样品及相关操作会带来—些问题或由于太赫兹波散射,从太赫兹光谱测量的中获得的频谱可能会失真。只有在均匀或理想介质情况下,才能较为准确地给岀测量结果。当散射效应足够强的时候,这些方法给出的测量结果都是近似。
3)微小光学
微小光学是基于电磁理论微小光学是研究微米、亚微米尺度内光与物质的相互作用和光学元件(包括光源、光纤、波导、折射和衍射型微透镜、微棱镜等)的光学微加工技术及利用该元件实现光信息的发射、耦合、传输、变换、分光、成像和图像处理等功能的理论和技术,是光学的新发展、光学与微电子和微机械相互融合、渗透、交叉形成的有广阔应用前景的重要前沿学科。微小光学与太赫兹波谱学有重叠
4)微电子学
微小光学元件与微电子、微机械元件组合成真正意义上的微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical-systemMOEMS)还有很大困难。其原因主要是,人们对微观条件下MOEMS 器件的运动规律、物理特性和受载之下的力学行为还缺乏充分认识。MOEMS 元件及其间隔的尺寸处于微米量级,表现出显著的尺度效应。
5)微观物理学
在微米尺度空间,许多宏观状态下的物理量都发生变化,呈现出微观尺度下的特殊规律和尺寸效应。所谓尺度效应指的是,当物体的尺寸L 改变时,不少物理量随L变化的现象。当系统尺寸减少到微米量级时,与尺寸L的高次方成比例的惯性力(L4次方)、电磁力(L3次方)等的作用弱化,而与尺寸的低次方成比例的黏性力 (L平方)、弹性力(L平方)、表面张力(L1次方)、静电力(L零次方)等的作用相对强化。同时,表面积(L平方)与体积(L3次方)的比例增大,热传导、化学反应显著加快,表面摩擦力也明显增加。
今日物理学如何走岀边缘化,开创微观和纳观物理新理论,是令人深思的问题。
如上所述,这里列举五个学科,加上前面所述的生物医学、化学、天线、影像学和佛学都与人的视觉感官相关联。它们交叉在一起,共同破解小宇宙之谜。在现有科研体制中,如何举全国之内,以一盘棋精神,走出中国自己探索小宇宙之路!(未完待续)




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