生物全息術
正文
包括用全息的理論闡釋生物體對周圍環境三維空間信息的獲取、加工和貯存的過程及研究全息技術在生物、醫學領域的實際套用等兩方面內容。生物全息是匈牙利人P.格賴古什於60年代全息技術問世後首先提出來的。他認為生物接收信息具有全息的方式。以後又有人提出人和動物的記憶以及中樞的信息加工是全息式的假說。全息原理簡介 在自然界，紅外線、可見光、紫外線、超音波和超高頻電磁波等都可以傳遞三維空間信息。這些波都有振幅、頻率和相位三個物理參數。能同時記錄反映三維空間物體信息波的振幅、頻率和相位三種信息即所謂全息。目前，把只具有反映三維空間相位和振幅的信息波也通稱之為全息波。1948年D.加博爾用一個參考波和攜帶振幅、相位信息的單色光(頻率為定值)載波相干，並在底版上記錄到可以再現信息的振幅、相位兩個物理量的干涉圖。60年代初期，E.利斯和J.阿帕特尼克斯利用單色性極好的雷射作載波和參考光，從而得到世界上第一幅全息圖。全息圖實際上是一張記錄了被感受物體物像的振幅和相位的干涉圖。當再用參考波照射這種底版時,便可呈現該物體的原始立體像（圖1）。
生物全息術這種全息圖像的主要特點是：①它是物體“凍結”在空間的光像，所以它是真正三維的。可以從不同角度看到該物體的不同側面。②全息圖上任何局部的點，都記錄了來自空間每一點的振幅、相位信息，所以全息圖如果有缺損或部分損傷,並不影響整個像的再現,依舊可以形成完整的像，只是解析度隨著損傷程度的增加而降低。③像的大小不受光學裝置的控制，若用短波長雷射記錄,用長波長雷射再現，像的放大倍數為
。④一張膠片可以同時做許多個全息圖的底版使用。只要記錄時的角度轉變一下，當參考光符合某一像在底版上的記錄入射角即可再現這個像。⑤利用提高信號波振幅和參考波振幅的辦法，可以提高全息接收的信噪比。 另外,全息原理中波前所載信息和波的本質無關,亦即不論電磁波、機械波或是起源於生物的波，如果能像雷射全息術那樣相干(等同數學上“相關”的概念)，再能像雷射全息那樣重建（等同數學上“卷積”的概念），那么也都能得到全息加工的效果。A.博爾塞利諾和T.波焦認為，經過相關和卷積兩者的運算就是擬全息。
生物體信息處理的全息現象 生物藉助特化了的感受器，通過不同類型的信息波，感知周圍世界的三維環境。如大多數哺乳動物利用成對的單眼，節肢動物利用複眼來感知光信息，夜行動物則主要用超音波和紅外波來接受全息信號，而某些昆蟲則是利用紫外光和偏振光。總之，生物全息感受的加工處理方法是多樣化的。
主動式信息加工方面舉蝙蝠和海豚兩個例子。已經證明蝙蝠具有圖像辨識能力，這可以用全息原理來作解釋。當蝙蝠傳送超音波時，腦里的傳送部分，同時送刺激到腦接收回聲的部分，這就是參考刺激。因此，這和全息原理是一致的。這樣當背景噪聲非常強時，蝙蝠可不增強傳送超聲的強度，只要加強參考背景的強度就可提高抗干擾能力（圖2）。
生物全息術關於海豚的超聲定位。它前額有一個接收回聲的“瓜器官",它的位置決定了海豚在傳送超音波到靶上時也同時衝擊到它(圖3)。 這樣也就形成了一個干涉背景。組織學的研究知道這個器官的感受器排列得很整齊，如果和照相底片比較,其解析度每毫米為100線。這對全息照相是低了一個數量級，但如果對比光波長好幾個數量級的超音波，則它的分辨能力已經是足夠了。
生物全息術另一個和全息有關的信息加工特徵，是大多數這類動物所傳送的超音波是雙脈衝的。噶布爾曾證明，如果雙脈衝的發放間隔在λ/4時，則所得的兩個全息像就更完整。海豚的雙脈衝正好落入λ/4之內(圖3)。
至於生物的信息貯存，根據K.S.拉什利等人長期對猴記憶的實驗,總結出兩條規律。即:等勢律(egual-po-tential)和分配律(distributed)
整個腦任何部位都可貯存信息，當破壞了某些部位後還可以代償。例如，當猴子視皮層摘除了幾乎90％以後，對視覺形象的記憶依舊存在。這和全息一樣，當部分破壞後只是分辨能力降低，但並不影響整個物體的回憶。而且在視皮層上各處都具有等同的勢能。這和全息圖極其相似，因此，提出了不少記憶和腦信息加工的全息模型，以試圖證實腦的“全息加工”假說。
全息術在生物醫學中的套用 顯微全息術 ①萊茨和阿帕特尼克斯1965年曾描述了一種技術，使干涉光的球形波前的半徑在再現時增大，這樣再現時的像就放大了。一般記錄時用短波長的光,再現時用長波長的光,則可放大S倍(S等於再現光與記錄光波長之比)。假如記錄時用X線，重建時用紅外線，則放大600倍。再現過程放大的另一方法是諾克斯所做的。將全息圖放在顯微鏡下來觀察，但限制要在水下攝全息圖。②利用透鏡系統做成全息顯微鏡，在鏡下用相干光拍攝。1966年由范·里格頓和厄斯特貝格首先提出。埃里斯付之實踐拍攝了硅藻全息照片。史密斯和威廉斯曾設計了一個顯微全息系統。1973年，多諾赫用這種系統研究了微循環。
圖像的處理 由於振動，焦距的偏差、空氣的干擾儀器的缺點都使電子顯微鏡的解析度達不到理論值，因此所得的照片模糊不清。G.W.斯托克認為實際上這種照片已經具有了全部信息，只需要消卷積，就可將像回復到不模糊的狀態。例如，他將fd絲狀噬菌體（侵入大腸桿菌）的電子顯微鏡照片5埃解析度清晰為2.5埃。
全息干涉法測量微小變動 J.滕鐸爾等用全息術對貓鼓膜的微小變動進行了觀測。其原理是照兩次全息照，再從它們共同再現時的干涉情況來分析。格瑞格斯報導了用兩次曝光的全息干涉來研究呼吸。有人建議用紅外全息干涉來研究眼睛調節過程中的結構變化。
生物醫學上軟組織的三維成像 由於這種情況一般不能套用雷射，超聲全息已被建議用來探測腫瘤。超聲全息目前都在水下進行，使水面形成全息圖，然後再用雷射或計算機將圖形再現。
參考書目
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