生物波是什麽东西？

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　  细菌群体作为整体，细胞作为子系统在生命活动中如何相互
协调动作即它的协调机理是什么一时间又成了生物学家们研究的
集中点。Shapiro教授以实验群落观察，提出中心控制论，他指
出“一定是从中心发出一个化学信号；看来形态学发生是受整个
菌落控制的而不仅仅是由运动的边缘调节的”。D.Kaiser从分子
生物学观点提出协同作用，互补作用；我们也复习了有关形态发
生的拓扑学论述，来思考这个问题。但在一个大的系统中多个子
系统如何协调一致，进行着有序的活动，仍是一个难以解释的问
题。H.Haken的物质运动与自组织过程中自我约束理论和生命活
动过程中混沌与反混沌理论，为认识这个问题铺平了道路。　　
   我们的细菌群体生物波就是在此指导下提出的，这实际上是
一个长期认识过程的总结。早在1986年10月份，我们曾实验将叮
黄加入培养基中，对细菌生长稍加限制，强制细菌同步生长，没
有成功。把平板放在实验台上，4天后发现绿脓杆菌菌落边缘出
现来个深浅交替不一的同心环，表现出由许多细菌自发形成的群
体有序结构。联系变形杆菌的迁移现象，又把它与高等生物活动
原理联系起来时，认识到符合高等生物机体自组织特征，这种现
象与化学反应中B-Z振荡出现的化学波自组织图样比较一致，使
我们开始考虑这种原核细胞生物群体中子系统群的自组织可能性
及表现的波动形式。自1990拈月，实验室正式启用“生物波”名
称，当时主要指细菌宏观有序现象，随着认识渐渐深入，给生物
波赋予了更加复杂的解释。
1. 生物波的初步认识
  细菌在生长过程中一定条件下可规律地出现同心环波纹，不同
细菌出现波纹需要条件不同且波形亦有别：
变形杆菌：把变性杆菌菌液稀释成单个细胞分散的悬液，以点种PH
平板（由自己研制）中心，置40%PM、平均温度34℃的孵箱中，温
差8℃，温差极限时间1小时，且箱内连续气体流动，8小时后形成
直径1~2mm的菌落，以后每隔3小时形成一个由细菌组成的红色同心
环，一直持续到细菌生长占用全部培养基空间。
绿脓杆菌：用同样方法处理细菌悬液，接种在DPA平板（本室研制）
上，置40%RH、37℃恒温箱内，连续通气（水压通气装置，本室研制）
，40小时后出现第一道黑绿色环，之后每12小时一环，直至培养基干
度变化而停止生长。
大肠杆菌：将大肠杆菌接种DPA平板上，接种方法是取单个细胞分散
的菌悬液点种在DPA平板上，各点相距约2cm，大肠杆菌中间接种绿
脓杆菌，37℃培养箱内培养至第三天绿脓杆菌产生大量色素扩散到
大肠杆菌菌落内，使之表现出细小同心环。
真菌：取青霉菌接种在营养平板上，置20℃恒温箱内36小时出现不十
分清楚的同心环约每5小时一环，直至充满整个培养空间。
   微生物之所以能够在固体培养基上出现同心环波纹，细菌的群
体形成是首要条件，群体是细菌特有的生物学性状表达的结构条件，
正如G.B.Callcja所言，群体对抗外界环境不利因素有利于物种生
存。其次，微生物生长的周期也很特殊。因为我们完全从细菌以多
细胞群体形式进行生命活动的角度来观察细菌群体生长的周期性，
它在本质上不同于经典生长曲线，与单个细胞周期也无明显联系，
而是细菌在群体条件下多个细菌共同完成的一些周期性生命活动，
以及其伴随的周期性形态结构。实验结果表明在固体培养基上，群
体细胞生长的整个过程中，细菌不是同步分裂增殖，出现的群体形
态结构却表现出精确的时空有序变化。这种形态结构不仅是这些同
心环在外表上类似于光波，水波等的外观，而且经数学处理考察其
物理特性表明符合作为波的条件。

生物波扩散物理学特性
细菌 T(小时) λ（毫米） V（毫米/小时）
绿脓杆菌 12 1.1 0.09
变形杆菌 3 1.3 0.43
T是产生相邻两同种环的时间差，λ是相邻两同种环之距离（波长），
V根据方程V=λ/T 求得。
综合我们的工作，在此给出生物波定义：点种在固体培养基的细菌
生长出以接种点为中心的多个同心环，形似物理学上的光波、水波
形成的同心环，更似化学反应中B-Z振荡出现的称为化学波的同心环，
系统考察其形成过程，可见细菌分裂增殖主要发生在最外一环上，
并不断向外延伸，表现生长的宏观有序性结构，细菌同心环似一个
个周期生命振荡的载体，呈波状把细菌生长带向更大范围，同心环
是生命活动导致的有序残迹，我们将这种生命活动方式称为生物波。

2. 生物波形成机理　　
生物波研究以微生物作模型，向生理学家提供最简单模型，去认识
整体支配各子系统的原理，生物波还对自然科学的统一性提供一个
方面的依据。这样，物理化学加上生物波联系起来看，物质世界永
恒运动的一个共同方式就是周期振荡波。　　
   细菌不同步生长的群体为什么会出现周期性波动和形成宏观有
序结构？
   它不像单个细胞的生长周期那样简单，而是群体细菌自组织形
成的有序生命活动整体，结合我们初步研究工作，主要从以下五个
方面阐明细菌波动生命的机制
2.1自然形成远离平衡系统表现出生物耗散与生态的统一性　　
   细菌在固体培养基上生长形成菌落，一方面菌落可与培养基自
由交换物质，表现出开放性。另一方面，由于细菌增殖是一个吸收
营养、消耗能量、排除废物的过程，表现细菌生长系统是一个生物
耗散系统，使菌落与培养基之间出现了对生长影响的物质梯度，构
成了非平衡条件，从同心环形成过程来看，一旦某一同心环形成，
则环内便成为封闭环境，环内所有细菌均呈小球杆状，以后变化极
少，表现出能量流、物质流受阻，生命活动就减弱直至消失，这种
表现与耗散结构形成的机理相符。I.Prigogin指出，有序结构本身
必须随时有外界的能量和物质的补充，外界一旦不能充分供给物质
和能量，耗散结构就不能维持，在生物波形成过程中，细菌分裂增
殖主要发生在波的最前缘及最外环上。充分体现生物波耗散特点。　　
   用混沌学观点认识生物波时，观察到三种现象均与外环境不断
改变有关。同心环形成受初始条件影响较大，第一环的出现及图样
直接受中心菌落形态影响，第三环受第二环、第一环影响以致于生
物波表现各异，有准周期、倍周期，也有非周期现象。另一种现象
是同心环分形结构自相似性特点，多个扇状而总呈尖细形状。表现
生物耗散影响生态环境的改变，又反映到细菌本身，显示出两者动
态变化的统一性。
2.2细菌非平衡相变生命活动的涨落与群体变化的随机性　　
   开放系统非平衡条件是生物波形成的外部条件，细菌的微观变
化则是形成的内因。实际上生物波形成是内外因素协同作用的结果，
细菌受生态环境的限制，形态发生周期性变化，在不适宜生长的空
间里，细菌呈短小杆状，过渡部位细菌呈现丝状；在适宜生长空间里，
细菌出现分裂相，群体内分裂指数迅速上升。这种现象我们称之为相
变，因为非平衡环境是形成这相变的原因，所以也成为非平衡相变。
非平衡条件下相变过程中，细菌形态改变是一个不稳定因素，本身是
涨落。细菌群体内，由于细菌所处的区域差别，各个区域细菌的潜生
势头不尽一致，细菌形态相变倾向不一，如从短杆菌为主区域到纤细
状体为主的区域，两种形态各自趋向相互竞争，都力图使整个系统统
一在自己的状态中。对相变临界范围细菌形态观察，有些区域纤细状
体为主，就是同一区域内不同时间总的趋向也不断发生着变化，表现
出一定密度的小涨落，究竟哪一种趋向放大成巨涨落，要看生态环境
对哪一种趋向提供帮助，巨涨落一旦发生，系统中全部子系统皆转向
一个趋势，即相变发生。涨落与生态的统一决定了全部子系统的趋向。
这样边清楚的表明每一个同心环中细菌生物同心状的一致性是全部相
变的结果。同一环内细菌形态学和生理学特性，还可能受生物波调控
因子的影响。
2.3细菌生长自组织过程种系生存的自我约束性　　
   生物体和生物细胞的形态发生学的奥秘激励着众多科学家从事这
方面的探索，目前看来，这其中不仅仅是遗传学的问题，还涉及到形
态发生拓扑学理论，也包含了个体内部子系统自组织的作用。细菌生
长形成不同的菌落过程及不同细菌生长出现各具特点的同心环群体结
构等，从本质上讲都是生长系统中子系统自组织的作用。一切自组织
过程始终存在着自我约束作用。把细菌接种在培养基上，在合适生态
条件下迅速进行二分裂繁殖，进入生长阶段，由于数量的增加，局部
代谢产物堆积，营养成分消耗，结果导致一个不利于细菌的局部环境
出现。　　
   在不利环境中，有一部分细菌死亡、细胞膜破裂，释放出胞内的
核酸成分及其它有营养作用的成分，前者与细菌生长时释放的多糖混
合在一起，由于粘度大的碱性核糖核酸可使多糖发生不可溶性变化，
形成糖包被（glycocalyx），充填于群体细胞之间，并包绕于群体细
胞表面，这是细菌生长过程自我约束力的部分表现，导致包绕内菌群
密度增大，细菌不能有效地获得营养，废物一定程度堆积，结果生长
受到影响。在包绕的细菌群体内，有部分细菌不断死亡，释放出胞内
营养成分，可供临近的细胞维持分裂增殖之用，构成了隐性生长系统，
使这个被限制在一定空间的细菌群体生命持续较久的时间。这个被局
限的细菌群体最边缘的细菌开始向外生长，出现向外伸展平铺成单层
细胞，细菌向外不断扩散。由于环境的约束对细菌生长的不适应作用，
细胞不能断裂而呈长条状向外延伸。外个细胞同样扩散过程形成微观
有序现象。到达离原菌落一定距离处，环境变得适应，渐渐摆脱了约
束力，细菌开始较正常生长，出现二分裂繁殖。随着细菌的增多形成
一条宏观可见的细菌波纹。细菌自我约束作用不但影响着形态变化，
同时也影响着细菌的生理功能。　　
   较正常还击功能下细菌可合成琥珀酸还原酶及GAMP，琥珀酸还原
酶可经生物反应而显色，出现一条条波纹。在一个不同步生长的细菌
群体中，某个部位所有细菌均受环境压力，也支撑着细菌细胞相互作
用，使得同一个部位所有细菌均失去个性，表现相同的特征。结果表
明同一个生长系统中细菌的自我约束力也促成各子系统协同作用。整
个过程导致宏观有序结构出现，表现由混沌生长到有序结构形成的反
混沌结果。从热力学观点分析，这种有序结构是生命活动过程所带出
的残迹。生物波主要指生命活动的波动，也包括一些围绕波动伴随的
过程和出现的结果。如此周期性变化是细菌群体出现宏观有序结构。

3.生物波理论的意义　　
   目前随着自然科学对混沌、反混沌的认识深入，对医学思想已经
产生了前所未有的影响，开始促使生理学界及临床医学界研究动力学
疾病，向人们展示医学思想革命的前景。产生混沌的一个大领域是动
态系统，即时空关系，用于医学，对疾病形成发展进行动态观察。一
个大系统整体内的各个子系统，既受整体的控制以建立着自身的动力
学体系，各子系统的动力学关系又“合理”地吻合，组织成一个健康
的机体，一旦这些动力学系统不协调，便是疾病。

3.1自然科学的统一　　生物波的图象与生物学上的牛顿环十分相似，
联系到Schrodinger之波动物理学，生物波强调物质的波动，与化学
上的B-Z振荡出现的化学波纹也很接近。联系起来，物质世界的永恒
运动可能有一个共同的方式就是波动，这不仅把物理、化学、生物统
一在波动上，而且也找到了物质世界永恒运动的原因：生物波在实验
中表现为在满足其生态条件的情况下一直持续不断地波动。
3.2生物学观念改变　　多少年来生物学的发展一直以分析为主，以
种系的分类到分子分离一步比一步细微，这对深刻认识生物是一个不
可缺少的知识积累步骤，就是目前通称的生物学中的还原主义。几年
前人们还寄厚望于分子生物学，想通过它寻找世界上千千万万物种的
共同基础，将全部物种统一于分子生物学理论上来；可是一触及生命
起源的时候，便感觉到势单力薄，于是整体观研究应运而生，非线性
科学理论进入了生物学领域。生物波理论建立在生命系统与所处生态
的统一上，对生物形态发生的认识符合当代科学普遍接受的拓扑观点，
注意到了生命活动与环境之间的相互作用。这个理论对生物进化的认
识也可能有一定帮助，不只考虑到生物进化的过程，生物与环境统一，
也涉及到生命群体在进化中的作用，而且进行生物波基本研究的模型
是细菌，可提示较原始的生物种进化过程中的特点。　　
   对人或动物等复杂有机体生命的波状活动方式，生理学家们以普
通常识对待。从不同的系统中进行多种波动机理研究，大多数工作是
以整体支配作用入手认识，但对波动过程自身调控认识不够。如果对
生物波调控研究深入，将会为生命科学的有关工作提供一些借鉴，例
如认识脑电波动自身调控，将对人类挖掘自身潜能有一定帮助。

3.3功能性疾病是原始化病变　　我们采用特殊的生长系统，利用生物
波模型进行生物波与气候的关系试验。发现平时生物波呈混沌过程，其
波形表现十分随机性，当天气发生变阴时，生物波则呈准周期图象。细
菌作为一种最原始的生物，出自对环境的适应性，可发出准周期的原始
动作，这是低等生物的原始特征。进一步实验，这种准周期波形的细菌
很容易被抗生素纸片损伤，也不易恢复。同样细菌，同样纸片在平时的
非准周期条件下，结果是不同的。这个实验说明生物生命活动过程既带
混沌性又带有反混沌性。　　
   反混沌性可以把无序的运动归类，使其产生有意义的活动；混沌性
可使已系统化的结合有更大的容纳性和适应性。拿着实验结果，结合临
床上碰到最多但又没有特别有效治疗方法的功能性疾病，选择一个代表
性疾病肩周炎进行分析。这种疾病有个突出的症状是夜间疼痛。实际上
是静止一段时间就可引起痛疼。白天免不了要进行一些主动性运动可导
致疼痛缓解。肌电图测定表明静止时病变组织自发的产生准周期舒缩运
动，这本身就易产生疲劳，仅此一个局部运动而其他组织并未协调配合，
结果加重了症状。一旦发生主动性运动，由全部组织整体的协调动作使
准周期运动的组织服从于整体进行非准周期的活动。　　

   人体活动本身带有极大随机性的混沌特征，不管可见及不可见的
波动均呈非准周期才能维持正常机体运动过程，甚至包括心脏和呼吸
功能。试想如果心律每分钟72次任何情况下不发生改变，将使人不能
生活下去。所谓临床上常见的功能性疾病，困惑着医生与病人。尽管
目前病因不清，但总的看是准周期波动表现使器官或组织失去对环境
的适应性及影响到对周围器官完成功能的配合作用。准周期波动不能
使整个机体互相适应及功能协调，仅表现生物最基本的波动形式。我
们比喻为原始化疾病。

3.4微生态的基础在于正常菌群的波动结合　　微生态学是近几年创
立起的边缘学科。其主要内容是研究正常菌群与机体之间的相互关系，
微生态学家们必须回答正常菌群为什么正常这一早已被大家听习惯的
问题。实际上这是一个如何认识正常菌群的问题。机体以各种各样的
波在进行着不自主的波动。从生理学观点看正常机体这些活动均为确
定性混沌过程。　　

   周殿元教授在研究慢性腹泻时，发现在肠道电位波方面健康人与
病人存在极大差别。健康人肠道发出极不规则慢波，而肠易激患者则
呈有序快波。这种健康人组织波动的混沌性在脑电图上也有同样的表
现。机体的这种混沌波动对不同波动类型的菌群都有可能容纳，促成
正常菌群的多样性。　　
   菌群也会波动，但不同种的细菌波动周期不一致，尽管正常机体
有一个宽的容纳菌群能力，但必须有一个限度，与之波动吻合的菌群
可以定植生存。一个环境里容纳许多种群，菌群与菌群之间的波动也
应吻合构成动态的多种群协同关系。当然菌群的波动受自限的菌群不
属正常菌群范围。

3.5控制医院内感染在于生物波的调控　　在研究微生态学的时候，
强调生物波对正常菌群的意义。如果机体波动的改变，或菌群由于不
能自限和固定化形成而丧失波动能力，使机体与菌群不能协同。可表
现病态。这种情况多见于体内的常居菌转化为致病菌群。医院感染的
病原主要是常居菌群。这些细菌因耐药幸存在医院内，通过各种途径
又进入人体成为正常菌群的一部分，这种现象称污染。由于机体病变
或由抗生素压力选择作用，这些污染菌成为优势菌群，扩散到其他部
位或原位对机体引起损伤。经抗生素治疗可能把优势菌消除，但优势
菌形成环境仍然存在，而且有所加重。这种情况以促成菌群自限发出
波动的调控更有价值。

3.6生物波的自我调控生物波模型显示不同的生物种系有不同的调控
机制。就细菌波动来看，其自我调控主要有三个方面组成。
第一、自限性群集物质，如前所述促成群集而有限制的生长。
第二、是波动促进因子，也称促波因子。
第三、是自限的细菌产物。
我们已经分离出部分生物波调控物质中促波因子、用于抗感染方面
的研究以及用于调整人体生物波方面的研究。当然生物波的自我调
控的进一步研究将为我们提供更多有医学意义的物质。