圖片來源：Unsplash
撰文｜clefable
審校｜王昱
人們的認知通常會被限制在肉眼所見的範圍之內，不過也有少數人能捅破這層氣泡。在歷史上，一部分科學家僅透過一個精巧的實驗就做到了這一點，例如著名的豌豆實驗和雙縫干涉實驗。出生於19世紀70年代的俄羅斯生物學家亞歷山大·加夫裡洛維奇·古爾維奇（Alexander Gavrilovich Gurwitsch）也是其中的一員。古爾維奇醉心於研究胚胎的發育和分裂。1923年，他透過一個洋蔥實驗發現了一個特別的現象，名為“有絲分裂輻射”。
洋蔥實驗
在洋蔥等植物的根部會有一個分生區，這裡的植物細胞會透過有絲分裂迅速分裂和繁殖，進而讓根部快速生長。令古爾維奇感興趣的是，一個洋蔥根的生長是否會影響另一個洋蔥的根。他修剪了2個洋蔥的根部，均各留下一條筆直的根，然後將它們垂直放置。他以一個洋蔥的根作為“發射端”，垂直指向另一個洋蔥根的分生區。他嘗試將玻璃或石英放在兩個根的中間，然後他切開作為“接收端”的洋蔥根的分生區。
古爾維奇洋蔥實驗的照片 圖片來源：A. G. Gurwitsch, Das Problem der Zellteilung physiologisch betrachtet (1926)
他發現，靠近“發射端”一側和遠離的一側中，正在分裂的細胞的數量明顯不一樣——好像洋蔥之間真的隔空傳輸了一些資訊，造成了這種改變。他還發現這種資訊可以被玻璃阻擋，卻能穿透石英——後來，這種資訊被發現是一種極其微弱的可見光，但當時這個實驗引起了諸多的好奇和質疑。如今，已有很多研究都發現，不僅是洋蔥，在所有已研究的生物系統中，從細胞一直到人類，都會自發發射少量光子，大概為每平方釐米每秒10～103個光子，所在光譜範圍為200～1000 奈米（從近紅外、可見光到紫外）。這種現象也被稱為超微弱光子輻射（ultraweak photon emission，UPE）。
光子點亮了我們所看見的整個世界。在更廣泛的範圍內，每個物體的溫度只要高於絕對零度，其內部的原子和電子就會不斷振盪，會讓物體表面釋放熱輻射，即光子。當物體內部和表面的溫度相當時，其釋放的輻射也稱為“黑體輻射”（black-body radiation，BBR）。根據斯忒藩—玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law），當一個黑體的熱力學溫度（以開爾文計量的溫度）翻倍，其輻射釋放的能量就會變成原來的16倍，這也意味著溫度越高，釋放的能量越高，輻射的光子就會從紅外線移動到可見光，再到紫外線。這就是為何人體表釋放的是紅外輻射，而太陽還可以釋放可見光和紫外線。
在有生命的個體中，我們更為熟悉的是一些可以自發發光的生物，包括一些細菌、昆蟲、海洋藻類和甲殼生物等。這些生物會產生一些特定的熒光素酶和熒光素底物，兩者反應會生成激發態的氧化產物，這些產物回落時也會釋放光子。
圖片顯示了生物發光、超微弱光子輻射和黑體輻射的輻射強度和所處的波長範圍 圖片來源於論文
UPE既不是生物的黑體輻射，也不是自發光生物發出的輻射。很多研究發現，UPE源於細胞內的生化反應和代謝過程。相比於生物自發發光的強度，UPE則十分微弱，只有透過特別精密的儀器才能檢測到。但在可見光範圍內，UPE又明顯高於熱輻射，因為生物體的黑體輻射在可見光範圍內幾乎為0。
生存還是毀滅
今年4月，在一項發表於《物理化學快報雜誌》（The Journal of Physical Chemistry Letters）的新研究中，加拿大卡爾加里大學的研究人員探究了當一個生物從存活到死亡後，其UPE會如何變化，以及溫度、損傷等是否會導致UPE變化。
考慮到生物發射的UPE十分微弱，他們採用了可以捕捉釋放的每一個光子的電子倍增電荷耦合器件（EMCCD）和電荷耦合器件（CCD）相機，分別檢測了植物——包括擬南芥（Arabidopsis thaliana）植株和新鮮切下的鵝掌藤（Heptapleurum arboricola）葉片，以及無毛小鼠的UPE。
在使用異氟烷對無毛小鼠進行全身麻醉後，他們將其放置在成像臺上，並在成像前讓小鼠先適應30分鐘。實驗結束後，他們用二氧化碳對麻醉中的小鼠實施了安樂死，並重覆上述的操作。在兩個成像實驗中，小鼠的體溫始終都維持在37攝氏度，然而活小鼠發射的UPE強度，卻始終明顯高於已經死亡的小鼠。在拍攝的影像中，被麻醉的活小鼠有著強勁的UPE，它們的頭部、心肺區域和腹部充滿了光亮點，這也意味著活小鼠的這些區域正在進行豐富的細胞活動和代謝活動。
活體小鼠和安樂死後小鼠的UPE成像 圖片來源於論文
對死亡小鼠UPE的成像則顯示，它們身上只剩下很少的“亮點”。這些“亮點”可以與活小鼠身上“更亮的點”相互對應，昭示著小鼠死亡後代謝和能量變化的停止。這樣意味著，生與死帶來的巨大差異對生物的UPE有著巨大影響。正常情況下，溫度會在細胞的生化反應和代謝調節中，都發揮著十分重要的作用。但顯然這似乎只在活體小鼠中才有影響。
在對植物的成像中，該研究主要測試了植物在遭受損傷和不同化學試劑後UPE的變化——可能是由於植物難以被立刻殺死。研究所用的化學試劑包括異丙醇、過氧化氫（H2O2）和苯佐卡因。研究人員發現，對於植物而言，溫度升高和損傷都會導致它們的UPE強度增加。不過讓他們意外的是，在葉片的損傷處塗抹區域性麻醉劑（苯佐卡因）時，植物的UPE輻射強度最高，甚至高於過氧化氫和異丙醇。
此前的研究發現，在生物體內，UPE的出現和活性氧 (ROS) 密切相關，包括過氧化氫、超氧陰離子（O2–）和羥基自由基（·OH）。當這些活性氧（ROS）誘導脂質過氧化和蛋白質氧化時，會產生激發態的中間體，而激發態回到基態時，就會釋放光子產生UPE。而生物體在遭遇環境毒素、病原體或生理失衡等應激源時，它們通常會自發產生ROS，作為細胞應激的訊號分子。
圖片中為鵝掌藤，左邊從上到下，依次為經過酒精、過氧化氫和苯佐卡因處理過的鵝掌藤，右邊為對照。4片葉子的損傷部位都明顯更亮。圖片來源於論文
因此，過氧化氫作為一種活性氧分子，而異丙醇作為一種環境毒素，都會增加植物的UPE。研究人員推測，苯佐卡因可能破壞了植物的離子通道活性或干擾與應激反應相關的訊號通路，進而導致了UPE增加，不過還需要後續進一步的研究。較高溫度之所以會增加UPE是由於高溫會加速機體代謝，促進線粒體呼吸和酶促反應等，使得機體內的ROS數量增加。
隨著衰老而增加
正如上文所言，除了應激反應，活性氧還是線粒體電子傳遞鏈中的關鍵副產物。不過在低水平的情況下，活性氧並沒有危害，它能調節線粒體的活動和代謝過程、細胞訊號以及參與適應性應激反應。與此同時，人體也會產生超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等分子，來中和活性氧，進而控制其水平。
不過，一旦這種平衡被打破，人體積累了過量的活性氧，就可能帶來一些糟糕的後果。活性氧會攻擊細胞中的各種分子，包括脂肪酸、蛋白質和核酸等，導致代謝性疾病、神經系統疾病等。實際上，這個過程一直在每個人體內發生，因為隨著人的年齡增加，體內的活性氧一直都在緩慢增加，而UPE也會隨之變化。2016年的一項研究曾嘗試基於參與者雙手的UPE來判斷其氧化損傷情況，進而預測參與者的年齡。研究人員發現，這是可行的，參與者實際年齡與預測年齡的平均差異僅為7.6±0.8歲。
圖片來源：Unsplash
另外一項在2023年發表於iScience的研究則發現在雄性大鼠腦海馬中，UPE強度增加與阿爾茨海默病、記憶力下降、氧化應激之間存在明顯相關性。基於這一發現，研究人員提出了可以開發一種微創的腦機介面 (BCI) 光子晶片，用於監測和診斷阿爾茨海默病。或許在不久的將來，透過監測人體UPE的變化來判斷人體的健康狀態。卡爾加里大學的研究人員也認為，UPE可以作為一個檢測細胞代謝、氧化應激和生理健康的敏感指標。
在UPE的研究上，還有一些科學家走得更遠，他們正在探究UPE在細胞之間和細胞內的通訊作用，並且猜測在細胞內可能會有支援UPE傳遞的通道。不過是否真實如此，還需要更多的研究。
參考連結：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38235338/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40272092/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1011134421000191#ab0005
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27472904/
https://phys.org/news/2025-05-emit-faint-extinguishes-death.html
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.4c03546
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