当我第一次看到活细胞发射光线时，我意识到我正在目睹生物学以一种完全不同的方式表达自身。这不是通过分子、基因或结构，而是通过一种微弱的物理信号，携带着关于生命状态的未知信息。
作为一名进入生物物理学领域的年轻科学家，我有一个雄心勃勃的目标：在生命系统中探测一种隐藏的通信模式，这种模式可能扩展我们对生物学的理解，并潜在地使新的医疗技术成为可能。
当我还是研究生时，我第一次走进一个被六英寸厚铜屏蔽包围的房间，科学家称之为法拉第屏蔽室。这个房间被建造得尽可能黑暗。一旦门关闭，外部世界就消失了。我看不到面前的东西，甚至看不到自己的手。
在那片黑暗中的某个地方，有一盘活的人体皮肤癌细胞。旁边是一个光电倍增管，这是一种灵敏到足以检测人眼无法看到的极微弱光线的仪器。这些仪器可以捕捉极其微弱的光信号，就像天文学家研究数百万光年外的遥远恒星所使用的那种。
我的目标听起来对我来说相当简单，但我最终发现它在技术上极具挑战性：测量活细胞发射的光模式，并询问当细胞健康或癌变时这些模式是否会发生变化。本质上，我们能否创建一种癌症的光学特征？
但在这种实验中，每一个杂散光子都很重要。电缆周围的一个微小缝隙、天花板上泄漏上方楼层光线的裂缝、一个发热的电子元件，甚至检测器本身都可能产生压倒活细胞发射光线的信号。工作的很大一部分不是寻找光子，而是证明它们确实来自培养皿中的生命，而不是其他地方。
我开始了测量。然后信号出现了。
细胞在闪烁，释放出微小的光脉冲！不是像萤火虫那样的发光，也不是我在房间里能看到的任何东西，而是我的仪器检测到的可测量的光活动尖峰。当我最终分析数据时，癌变和非癌变细胞的光模式差异足够大，向我暗示了一些令人惊叹的事情：活体组织可能携带我们才刚开始学习如何解读的光学信息。
自11多年前那次观察以来，我无法停止思考我所看到的。
为了准备我的博士研究，我深入研究了亚历山大·古尔维奇(Alexander Gurwitsch)的早期工作，他在近一个世纪前的实验表明，一个洋葱根发出的弱光可以刺激完全不相连的邻近根的细胞分裂。古尔维奇将这种现象称为"有丝分裂辐射"。几十年来，一小部分但坚定的科学家继续研究并验证活细胞确实会发光的观点。如今，这些微弱的光发射通常被称为生物光子或超弱光子发射，它们仍然是生物学中最引人入胜且最具挑战性的开放问题之一。
这些科学家的工作帮助该领域从"活细胞是否发光"的问题转向今天我们提出的更难的问题：生命为何会发光？
这些光子仅仅是新陈代谢的副产品，就像发动机产生的热量吗？还是它们是揭示压力、衰老、疾病或修复的有用信号？或者在某些情况下，细胞是否将这些微弱的光信号用作它们通信方式的一部分？
诚实的回答是我们尚未知晓，而这正是我最兴奋想要推动前进的地方。
我们正在进入生物学发现的新时代
生物光子研究从未有过平稳的发展轨迹。自从古尔维奇的早期观察以来，该领域开始和停止的次数比大多数科学家愿意计算的还要多。它经历了兴奋和怀疑的周期，受到困难测量、有争议的发现以及常常不足以解决最大问题的仪器的阻碍。但现在情况正在改变。关于这些光子如何产生以及它们可能做什么的谜团，正随着更好的光子传感工具、更复杂的信号分析方法以及来自生物物理学、量子生物学和神经科学的新跨学科视角而获得新的关注。它们共同为该领域注入了新的活力。
作为活细胞自然发射的极微弱光粒子，生物光子是正常化学反应的物理产物，特别是涉及氧气、代谢和线粒体的反应，线粒体是我们细胞中帮助转化能量的微小结构。
但并非所有微弱的生物光都来自同一来源。该领域的一个重要挑战是区分真正的内源性生物光子产生——即生物光子源自生物体内部——与延迟发光，即生物材料吸收外部光并随后重新发射部分能量——就像皮肤暴露在阳光下后释放的光。这种区分很重要，因为主要问题是：生命发射什么类型的光，在什么条件下发射？同样重要的是：这些光子是否携带任何生物学意义？
与萤火虫相对强烈的发光不同，生物光子太弱，无法被人类眼睛可靠地感知。它们通常以每秒每平方厘米约10到1000个光子的强度从生物组织中测量。它们的波长通常落在近紫外到可见光范围内，大约200到800纳米，研究人员对它们感兴趣是因为它们的强度和波长会随着压力、衰老、氧化、生长、癌症状态和细胞损伤而变化。
关键的是，生物光子发射不是人类生物学的怪癖。它是生命本身的特性，不是任何单一生物体独有的特征。在整个生命树和各个尺度上，生命系统都会发光：细菌产生与其代谢活动相关的可测量光子发射。植物不仅吸收阳光进行光合作用；它们也发出自己的光，其发射模式会根据其生理状态而变化。
也许最引人注目的是，当动物死亡时，生物光子发射也随之衰减。随着新陈代谢开始关闭，光线逐渐消失，这意味着这些发射确实与定义生命活力的能量过程相关联。生物光子不是人为产物或巧合。它们是生命运动的标志。
但标志不一定是信息。
随着更好的光感应和信号分析技术的发展，我们现在对这些信号是什么有一些答案。但我们仍然没有完全理解它们在体内的功能角色。
生物光子显示复杂行为
随着我的职业生涯发展，我自己的实验室一直专注于研究这些微弱的发射是否可以帮助我们读取其他难以检测的生物状态。我们使用生物光子来筛选人类细胞、组织和整个动物的癌症特征。我们还测量了人头部周围的超弱光，并发现它可以与电脑活动和认知任务相关，例如注意声音。
这并不意味着大脑以任何简单的方式"用光思考"。它表明一种我们需要仔细探究的复杂行为。对我来说，这是一个更令人兴奋的含义：活体组织可能有一个光学信息层，反映其能量和生理状态。
如果我们能够学会阅读这一层，医学可能会获得一种新的传感技术用于诊断或健康追踪。
想象一下在组织损伤变得明显之前跟踪代谢的早期变化，在传统成像能够揭示肿瘤之前检测细胞环境中促进癌症的变化，或者不仅通过电，还通过与神经活动和能量使用相关的微弱光线读取微妙的大脑状态。
这个未来尚未到来。信号太弱，仍然难以通过我们身体这种湿润、嘈杂、复杂的系统进行测量。这些信号也容易受到室内光线、热量、仪器噪声和生物变异性的污染。进展将需要更好的传感器、更强的控制、仔细的复制以及能够区分相关性和因果关系的实验——但我们正在取得进展。
最难的问题——但也是最令人兴奋的——是这些内源性生物光子是否确实"做"什么或"意味着"什么。
一些研究人员提出，生物光子不是细胞中主动信号传递的结果，而仅仅是新陈代谢的简单副产品。换句话说，虽然这些信号可能预测生理状态，但它们并不导致这些状态。例如，我们知道衰老小鼠大脑发出的光会向可见光谱的蓝色端移动，其特征是更短、更有能量的波长。这仅仅是衰老大脑的标志吗？还是这些光发射以化学物质可能的方式导致大脑功能不同？
这仍然是一个未解之谜。
但即使生物光子是化学反应的副产品，它们仍然有潜力作为有意义的信号。我们在化学信号传递中看到了一个平行现象。当细胞产生能量时，它们通过一系列反应分解葡萄糖等分子，产生ATP、热量和一系列较小的分子。其中一些产物被简单地清除或回收。其他则成为告诉细胞其代谢状态的信号。生物光子可能在生命的生物物理模型中遵循类似的逻辑，它们可能开始是代谢能量的副产品，但仍然成为附近细胞可以检测和响应的有用物理信号。
光可能与我们的身体深度互动
当我们记住光已经以远超视觉的方式与身体互动时，这种可能性变得更容易被认真对待。在光生物调节中，研究人员——以及越来越多的临床医生——使用光来改变生理。研究人员发现，紫外线、红外线和可见光波长的光可以以不同方式影响从皮肤到大脑甚至骨骼的人体组织。例如，红光和近红外光可以影响细胞代谢，并已被研究其对炎症、伤口修复和脑功能的影响。
如果外部应用的光可以改变生物学，那么询问组织内部自然产生的光是否也可能具有生物学后果就变得合理了。尽管如此，尚不清楚细胞生物光子（与光生物调节中使用的光相比要弱得多）是否会对邻近细胞产生类似效果。更不确定的是这些信号在细胞尺度上是否以目标导向或有目的指导的方式进行调节或组织。
这是最根本的问题。如果细胞通过我们组织内的隐藏光学网络进行通信，那么解码这些信息将揭示丰富的生物学信息，并激发阅读和支持人类健康的新技术浪潮。
例如，我们可能能够监测组织的光学环境并绘制问题的早期迹象，包括微环境中促进癌症的变化。我们可以在疾病通过传统方法变得可见之前捕捉到它——到那时，可能已经太晚而无法防止痛苦。
当我们记住光能做什么时，这种可能性变得更加引人入胜。它可以变化强度、波长、时间、偏振和方向，赋予它多个物理维度，原则上信息可以通过这些维度被我们的细胞编码和解码。如果生命系统以受调控的方式产生并响应这些模式，那么细胞的光学微环境就很重要。
这也将改变我们思考日常接触的光的方式。如果细胞对光作为生物信号敏感，那么阳光、人工照明和我们口袋里的屏幕可能不仅仅是生活的背景，而是我们的组织不断解释为有意义信息的物理环境的一部分。
即使生物光子仅仅是代谢废气，它们也可能作为强大的生物标志物。就像汽车的废气可以告诉机械师发动机是否在正确燃烧燃料、过热或处于压力之下一样，微弱的细胞光可能有一天帮助我们读取身体的状态，从代谢到微妙的大脑状态变化。
但如果生物光子也是信号——即使只是部分时间——那么生物学包含一个我们几乎尚未学会检测和理解的通信通道。这就是让我的团队不断回到实验室的问题：这些光子仅仅是代谢的辉光，还是细胞用它们来传递信息？
来自我们细胞的微弱闪光可能无法单独回答生物学最深层次的问题。但它们可能帮助我们提出更好的问题。有时，在科学中，一个新领域不是从耀眼的东西开始，而是从如此微弱以至于几乎每个人都错过了的信号开始的。
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