专利名称：基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法
技术领域：
本发明属于生物技术领域，涉及一种评价生命系统状态有序程度及偏离的方法，
具体涉及一种基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法。
背景技术：
细胞生命状态的描述及其在环境胁迫下的变化是生物技术中的基本问题，迄今为止，这一问题都是通过一些生理生化指标来反映的。由于这些生物学指标大多是通过试管试验的破坏性测量得到的，而细胞是一个各部分相互协作的机体，因此，通过将细胞组分割裂开来的试管试验得到的生物学指标的变化无法反映生命的真实运转状态。对这些生命的基本问题需要从系统和整体的角度来研究和阐述，而这方面尚缺乏基本的研究和描述方法。 从整体上研究细胞生命状态及其演化的关键是如何表征和测量生命系统的状态，由于生命是一个有机体，其状态是系统各部分相互协调的结果，任何单一的生物学指标都无法表述生命系统的状态。因此，要从整体上描述生命系统的状态必须首先寻找能够表征系统状态的方法。 在非平衡统计物理学中，系统的状态及其演化都是用能够表达系统状态的"序参量"来表示系统的序性，并通过序参量的变化来研究系统状态及其演化。按照耗散结构理论，当系统不断与外界交换物质与能量，并且内部具有某种非线性控制机制时，系统就会从序性较低的状态向序性较高的状态演化，即向熵减少的方向发展。由于生命系统是一个典型的耗散结构，因此，耗散结构理论为理解和研究生命系统及其演化提供了一个新方法。然而，利用这一方法研究生命系统的状态、演化和发展时，如何定义生命系统状态的序性或"序参量"并对其进行测量和分析是一个长期没有解决的问题。 近年来，生物光子学的研究取得了一系列成就，研究发现，任何生命系统都会发出超弱光子辐射，这种生物光子辐射与生理代谢、光合作用、细胞分裂等许多生命过程密切有关，并且对环境极为敏感，它可以作为生命状态及其对环境反应的物理指标。由于生物光子辐射是在细胞生命活动中发出来的主动电磁信号，这一信号是可以测量的，如果能够基于生物光子辐射建立一套对生命系统状态的序性进行描述和分析测量的方法，就有可能解决长期困扰的生物有序性的量度与分析问题，从而为农业、医疗和环境检测等领域提供新技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，解决了现有的生命系统状态判断方法无法从整体上描述生命系统的状态的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，具体按照以下步骤实施 步骤1 :给定一个测量周期T，计算生命系统的延迟发光积分强度I (T)，并在黑暗
4环境中测定单位时间内生命系统的自发发光强度IBPE ; 步骤2 :定义生命系统某一状态的序参量R表达式为i = l'
:周期内自发光子辐射强度，iBPE为单周期，i(t)为生命系统的延迟发光积分 式中，IBPET为生命系统在稳态运转下-位时间内生命系统的自发发光强度，T为一个效强度； 将上步得到的一个测量周期T、生命系统的延迟发光积分强度I (T)和单位时间内生命系统的自发发光强度I,代入生命系统某一状态序参量R的表达式中，得到生命系统某一状态的序参量R，根据生命系统某一状态序参量R值的大小评价生命系统该状态的有序程度，评价标准如下R值的大小在O-l之间，生命系统某一状态的R值越接近于l，该状态的有序程度越高；R值越接近于0，该状态的有序程度越低； 步骤3 :判断生命系统某一状态偏离初态的程度，定义生命系统某一状态偏离初态的偏差K为 《=
凡 其中，R。是生命系统初态序参量的值，R为生命系统某一状态序参量的值；评价生命系统某一状态偏离初态的程度的标准如下生命系统某一状态的K值越接近于0，该状态与初态越接近；K值越大，该状态与初态的偏离越大。
本发明的特点还在于， 其中的步骤l中计算生命系统的延迟发光积分强度I(T)的一种方法，具体按照以下步骤实施 a.将延迟发光动力学方程表达为
= + V, 其中，I。、Ip^和h、 ^是常数，将上式在一个领的延迟发光积分强度I (T)的表达式
:周期T内积分得到生命系统 <formula>formula see original document page 5</formula>:周期T，得到生命系统受光激发后在- b.将生命系统用外来激发光照射-个测量周期T内的延迟发光； c.将上步得到的延迟发光随时间的变化按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数I。、I"l2、 、、 t2; d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I。、IpI2、 t p t 2代入步骤a中的生命系统延迟发光积分强度I (T)的表达式，得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)。
其中的步骤l中计算生命系统的延迟发光积分强度I(T)的另一种方法，具体按照以下步骤实施 a.将延迟发光动力学方程表达为<formula>formula see original document page 6</formula> 其中，|3 、 t 、 I。为常数，将上式在一个领光积分强度I (T)的表达式
t周期T内积分得到生命系统的延迟发
<formula>formula see original document page 6</formula>
b.将生命系统用外来激发光照射一个测量周期T，得到生命系统受光激发后在一个测量周期T内的延迟发光； c.将上步得到的延迟发光随时间的变化按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数P 、 t 、 I。； d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数13 、 t 、 I。代入步骤a中的生命系统的
延迟发光积分强度I (T)的表达式，得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)。 本发明基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法的有益效果是，在
深入分析生物光子辐射物理本质的基础上，提出基于生物光子辐射的生物有序性的描述、
分析和测量方法，并通过实验证明了这种方法的可靠性和可操作性，为开发相应的技术应
用奠定了基础。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
对本发明进行详细说明。 从自组织的观点出发，理解生命系统"耗散结构"本质的最简洁的途径是借助于激光的物理本质，这是因为生命系统与激光器有很多相似之处。和激光器的工作原理类似，生命系统是非线性、非平衡和开放性的系统，其综合表现为生命系统的"相干性"，即生命运动是无限多个生物子系统(在不同层次上有器官、组织、细胞、亚细胞、分子等)的集体效应。生物子系统之间通过特殊的通信方式表现出关联、协同和合作的行为，导致生命内部大范围的相干性和宏观上的有序性。根据对生命系统的这一认识，可以将生命系统视为一个具有充分高的品质因子q的共振腔。由于激光共振腔的能量储存本领用q值来量度，q值的一般定义是
0 = 2肝(
腔内存储的能量
=2;r-
腔内存储的能j
(1)越大。
G每秒损耗的能量 一'每振动周期损耗的能」里
其中，v。是腔的谐振频率。q值越大，激光器的能量损耗越小，输出的激光能〗与激光器相似，可以写出生命系统的q值为
:就
2 = 2"-
细胞存贮的能]
(2)
细胞生命活动中损耗的能量
由于在激光器中，q值代表了激光器谐振腔能量存贮能力的大小，q值越大，损耗越小，存贮能量的本领越高。与此相对应，生命系统的最佳生命态(序性最高)应该有最高
的q值，这意味着此时的生命系统具有最高的能量存储能力和最低的能量损耗。 由于能量存储能力可以用光子存储能力来表达，损耗的能量可以用细胞正常状态
下所产生的光子损耗来量度，式(2)可进一步表达为
光子存储能力 (3) ^一"光子损耗 上式中光子存储能力可以通过系统在外来光激发下在一定时间内发出的所有光 子数的总和即延迟发光积分强度i(t)来量度，而光子损耗则为稳态运转下一个测量周期 内自发光子辐射强度ibpet(其中，ibpe为单位时间内自发发光强度)。忽略式(3)中的2 因子，生命系统的q值可以简记为 ^ =
(4) 这里，q是一个无量纲的纯数。 本发明基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法的一种实施例，具 体按照以下步骤实施 步骤1 :给定一个测量周期t，计算生命系统的延迟发光积分强度i (t)，并在黑暗 环境中应用基于单光子检测的测量系统或其他同类仪器测定单位时间内生命系统的自发 发光强度ibpe ; 计算生命系统的延迟发光积分强度i (t)，具体按照以下步骤实施
a.将延迟发光动力学方程表达为 其中，I。、 I" I2和t p t 2是常数，将上式在一个; 的延迟发光积分强度i (t)的表达式 /(T^/or+^r!
(5)
:周期t内积分得到生命系统
<formula>formula see original document page 7</formula>(6)
周 b.将生命系统用外来激发光(激光、日光灯、自然光等各种光源)照射一个》 期t，得到生命系统受光激发后在一个测量周期t内的延迟发光； c.将上步得到的延迟发光随时间的变化(时域关系)按步骤a中的延迟发光动力
学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数i。、i"l2、 、、 t2; d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I。、Ii、I2、 t p t 2代入步骤a中的生命
系统延迟发光积分强度i (t)的表达式，得到生命系统的延迟发光积分强度i (t)。 步骤2 :定义生命系统某一状态序参量r表达式为
,裙 式中，ibpet为生命系统在稳态运转下-位时间内生命系统的自发发光强度，t为一个效
<formula>formula see original document page 7</formula>(7)
:周期内自发光子辐射强度，iBPE为单 周期，i(t)为生命系统的延迟发光积分强度； 将上步得到的一个测量周期T、生命系统的延迟发光积分强度I (T)和单位时间内 生命系统的自发发光强度I,代入生命系统某一状态序参量R的表达式中，得到生命系统 某一状态的序参量R，根据生命系统某一状态序参量R值的大小评价生命系统该状态的有 序程度，评价标准如下R值大小在0-1之间，生命系统某一状态的R值越接近于l，该状态 的有序程度越高；R值越接近于0，该状态的有序程度越低； 步骤3 :判断生命系统某一状态偏离初态的程度，定义生命系统某一状态偏离初 态的偏差K为<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，R。是生命系统初态序参量的值，R为生命系统某一状态序参量的值；评价生 命系统某一状态偏离初态的程度的标准如下生命系统某一状态的K值越接近于0，该状态 与初态越接近；K值越大，该状态与初态的偏离越大。
计算生命系统初态序参量R。具体按照以下步骤实施选定一个状态为生命系统的
初态，按照步骤a、步骤b、步骤c和步骤d计算生命系统初态时的延迟发光积分强度I (T)，
在黑暗中应用基于单光子检测的测量系统或其他同类仪器测定生命系统初态时的单位时
间内自发发光强度I,，将生命系统初态时的延迟发光积分强度I(T)和单位时间内自发发
光强度IBPE代入步骤2中的式(7)，得到的生命系统初态时的序参量R。。 本发明基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法的另一种实施例，
具体按照以下步骤实施 步骤1 :给定一个测量周期T，计算生命系统的延迟发光积分强度I (T)，并在黑暗 环境中应用基于单光子检测的测量系统或其他同类仪器测定单位时间内生命系统的自发 发光强度IBPE ;
计算生命系统的延迟发光积分强度I (T)，具体按照以下步骤实施 a.将延迟发光动力学方程表达为
/(,)=
1 + -
r乂 其中，|3 、 t 、 I。为常数，将上式在-光积分强度I (T)的表达式
-如l
/(r)= &
i-
(1 + 7A)
(9)
:周期T内积分得到生命系统的延迟发
(10) b.将生命系统用外来激发光(激光、日光灯、自然光等各种光源)照射一个测量周 期T，得到生命系统受光激发后在一个测量周期T内的延迟发光； c.将上步得到的延迟发光随时间的变化(时域关系)按步骤a中的延迟发光动力 学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数P 、 t 、 I。； d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数13 、 t 、 I。代入步骤a中的生命系统的 延迟发光积分强度I (T)的表达式，得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)。
8
步骤2 :定义生命系统某一状态序参量R表达式为
^二1 — ^^ (11) 式中，IBPET为生命系统在稳态运转下一个测量周期内自发光子辐射强度，IBPE为单 位时间内生命系统的自发发光强度，T为一个测量周期，I(T)为生命系统的延迟发光积分 强度； 将上步得到的一个测量周期T、生命系统的延迟发光积分强度I (T)和单位时间内 生命系统的自发发光强度I,代入生命系统某一状态序参量R表达式中，得到的生命系统 某一状态序参量R，根据生命系统某一状态序参量R评价生命系统某一状态的有序程度，评 价标准如下R值大小在0-1之间，生命系统某一状态的R值越接近于1，该状态的有序程度 越高；R值越接近于0，该状态的有序程度越低； 步骤3 :判断生命系统某一状态偏离初态的程度，定义生命系统某一状态偏离初 态的偏差K为
及O _ A ~ (12) 其中，R。是生命系统初态序参量的值，R为生命系统某一状态序参量的值；评价生 命系统某一状态偏离初态的程度的标准如下K值越接近于0，生命系统某一状态与初态越 接近；K值越大，生命系统某一状态与初态的偏离越大。
计算生命系统初态序参量R。具体按照以下步骤实施选定一个状态为生命系统的
初态，按照步骤a、步骤b、步骤c和步骤d计算生命系统初态时的延迟发光积分强度I (T)，
在黑暗中应用基于单光子检测的测量系统或其他同类仪器测定生命系统初态时的单位时
间内自发发光强度I,，将生命系统初态时的延迟发光积分强度I(T)和单位时间内自发发
光强度IBPE代入步骤2中的式(11)，得到的生命系统初态时的序参量R。。 本发明基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，在深入分析生物
光子辐射物理本质的基础上，提出基于生物光子辐射的生物有序性的描述、分析和测量方
法，这种方法具有可靠性和可操作性，为开发相应的技术应用奠定了基础。
权利要求
一种基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施步骤1给定一个测量周期T，计算生命系统的延迟发光积分强度I(T)，并在黑暗环境中测定单位时间内生命系统的自发发光强度IBPE；步骤2定义生命系统某一状态的序参量R表达式为 <mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>BPE</mi></msub><mi>T</mi> </mrow> <mrow><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式中，IBPET为生命系统在稳态运转下一个测量周期内自发光子辐射强度，IBPE为单位时间内生命系统的自发发光强度，T为一个测量周期，I(T)为生命系统的延迟发光积分强度；将上步得到的一个测量周期T、生命系统的延迟发光积分强度I(T)和单位时间内生命系统的自发发光强度IBPE代入生命系统某一状态序参量R的表达式中，得到的生命系统某一状态序参量R，根据生命系统某一状态序参量R值的大小评价生命系统该状态的有序程度，评价标准如下R值的大小在0-1之间，生命系统某一状态的R值越接近于1，该状态的有序程度越高；R值越接近于0，该状态的有序程度越低；步骤3判断生命系统某一状态偏离初态的程度，定义生命系统某一状态偏离初态的偏差K为 <mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mi>R</mi> </mrow> <msub><mi>R</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac> </mrow>其中，R0是生命系统初态序参量的值，R为生命系统某一状态序参量的值；评价生命系统某一状态偏离初态的程度的标准如下生命系统某一状态的K值越接近于0，该状态与初态越接近；K值越大，该状态与初态的偏离越大。
2.根据权利要求1所述的基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，其 特征在于，所述的步骤1中计算生命系统的延迟发光积分强度I(T)，具体按照以下步骤实 施a.将延迟发光动力学方程表达为/(^ = /。+/^—〃ri +/2e-〃T2其中，I。、Ip^和、、^是常数，将上式在一个测量周期T内积分得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)的表达式「 rl-expf—) r，l_expf—):周期T，得到生命系统受光激发后在一水'ib. 将生命系统用外来激发光照射一个效量周期T内的延迟发光；c. 将上步得到的延迟发光随时间的变化按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数I。、I"l2、 、、 t2;d. 将一个测量周期T和延迟发光特征参数I。、IpIy 、、 ^代入步骤a中的生命系统 延迟发光积分强度I (T)的表达式，得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)。
3.根据权利要求1所述的基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，其特征在于，所述的步骤1中计算生命系统的延迟发光积分强度I(T)，具体按照以下步骤实 施a.将延迟发光动力学方程表达为刷一MY其中，|3 、 t 、 I。为常数，将上式在一个测量周期T内积分得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)的表达式<formula>formula see original document page 3</formula>:周期T，得到生命系统受光激发后在-<formula>formula see original document page 3</formula>b. 将生命系统用外来激发光照射一个效量周期T内的延迟发光；c. 将上步得到的延迟发光随时间的变化按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数P 、 t 、 I。；d. 将一个测量周期T和延迟发光特征参数13 、 t 、 I。代入步骤a中的生命系统的延迟 发光积分强度I (T)的表达式，得到生命系统的延迟发光积分强度I (T)。
全文摘要
本发明公开的一种基于光子辐射判断生命系统状态有序程度及偏离的方法，计算生命系统的延迟发光积分强度I(T)，在黑暗环境中测定单位时间内生命系统的自发发光强度IBPE，定义生命系统的序参量R，将单位时间内生命系统的自发发光强度IBPE、生命系统的延迟发光积分强度I(T)和一个测量周期T代入生命系统的序参量R表达式中，得到的生命系统的序参量R，根据生命系统的序参量R评价生命系统状态的有序程度，判断生命系统偏离初态的程度。本发明在深入分析生物光子辐射物理本质的基础上，提出基于生物光子辐射的生物有序性的描述、分析和测量方法，并通过实验证明了这种方法的可靠性和可操作性，为开发相应的技术应用奠定了基础。
文档编号G01J1/00GK101706430SQ200910218720
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月2日 优先权日2009年11月2日
发明者习岗, 李少华, 杨运经 申请人:西安理工大学