Biofoton - Biophoton

Dla nauki o interakcjach światła i żywych istot, patrz biofotonika .

Biofotony (z greckiego βίος oznaczającego „życie” i φῶς oznaczającego „światło”) to fotony światła w ultrafiolecie i niskim zakresie światła widzialnego, które są wytwarzane przez system biologiczny . Są one pochodzenia nietermicznego, a emisja biofotonów jest technicznie rodzajem bioluminescencji , chociaż bioluminescencja jest ogólnie zarezerwowana dla systemów lucyferyna / lucyferaza o wyższej luminancji . Termin biofoton używany w tym wąskim znaczeniu nie powinien być mylony z szerszą dziedziną biofotoniki , która bada ogólne oddziaływanie światła z systemami biologicznymi.

Tkanki zazwyczaj wytwarzają obserwowaną emitowanie promieniowania w zakresie widzialnym i ultrafioletowym w zakresie częstotliwości od 10 -17 do 10 -23 W / cm 2 (około 1-1000 fotony / cm 2 / s). Ten niski poziom światła ma znacznie słabsze natężenie niż światło widzialne wytwarzane przez bioluminescencję, ale biofotony są wykrywalne na tle promieniowania cieplnego emitowanego przez tkanki w ich normalnej temperaturze.

Podczas gdy wykrywanie biofotonów zostało zgłoszone przez kilka grup, hipotezy, że takie biofotony wskazują stan tkanek biologicznych i ułatwiają formę komunikacji komórkowej, są nadal badane, Alexander Gurwitsch , który odkrył istnienie biofotonów, otrzymał w 1941 roku Nagrodę Stalina za jego pracę.

Wykrywanie i pomiar

Biofotony mogą być wykrywane za pomocą fotopowielaczy lub za pomocą ultra cichej kamery CCD w celu uzyskania obrazu, przy czasie ekspozycji zwykle 15 minut dla materiałów roślinnych. Do pomiaru emisji biofotonów z ikry rybiej stosowano fotopowielacze, aw niektórych aplikacjach mierzono biofotony pochodzące od zwierząt i ludzi. Technologia CCD z powielaniem elektronów (EM-CCD) zoptymalizowana do wykrywania ultrasłabego światła została również wykorzystana do wykrywania bioluminescencji wytwarzanej przez komórki drożdży na początku ich wzrostu.

Typowa obserwowana emitancja promieniowania tkanek biologicznych w zakresie widzialnym i ultrafioletowym waha się od 10-17 do 10 -23 W/cm 2 przy liczbie fotonów od kilku do prawie 1000 fotonów na cm 2 w zakresie od 200 nm do 800 nm .

Proponowane mechanizmy fizyczne

Częstym zjawiskiem w środowisku biomolekularnym jest chemi-pobudzenie poprzez stres oksydacyjny przez reaktywne formy tlenu i/lub katalizę przez enzymy (tj. peroksydazę , lipooksygenazę ) . Takie reakcje mogą prowadzić do powstania wzbudzonych trójek , które uwalniają fotony po powrocie do niższego poziomu energii w procesie analogicznym do fosforescencji . Na to, że proces ten jest czynnikiem przyczyniającym się do spontanicznej emisji biofotonów, wskazują badania wykazujące, że emisję biofotonów można zwiększyć poprzez zubożenie badanej tkanki w przeciwutleniacze lub przez dodanie środków derywatyzujących karbonyl. Dalszego wsparcia dostarczają badania wskazujące, że emisję można zwiększyć poprzez dodanie reaktywnych form tlenu .

Rośliny

Obrazowanie biofotonów z liści zostało wykorzystane jako metoda oceny odpowiedzi genu R. Te geny i związane z nimi białka są odpowiedzialne za rozpoznawanie patogenów i aktywację obronnych sieci sygnałowych prowadzących do odpowiedzi nadwrażliwej, która jest jednym z mechanizmów odporności roślin na infekcję patogenem. Polega na generowaniu reaktywnych form tlenu (ROS), które odgrywają kluczową rolę w transdukcji sygnału lub jako środki toksyczne prowadzące do śmierci komórki.

Biofotony zaobserwowano również w korzeniach roślin poddanych stresowi. W zdrowych komórkach stężenie ROS jest minimalizowane przez system biologicznych przeciwutleniaczy. Jednak szok cieplny i inne stresy zmieniają równowagę między stresem oksydacyjnym a aktywnością antyoksydacyjną, na przykład szybki wzrost temperatury indukuje emisję biofotonów przez ROS.

Hipotetyczne zaangażowanie w komunikację komórkową

W latach dwudziestych rosyjski embriolog Alexander Gurwitsch donosił o „ultrasłabych” emisjach fotonów z żywych tkanek w zakresie widma UV. Nazwał je „promieniem mitogenetycznym”, ponieważ jego eksperymenty przekonały go, że mają stymulujący wpływ na podział komórek .

W latach 70. Fritz-Albert Popp i jego grupa badawcza na Uniwersytecie w Marburgu ( Niemcy ) wykazali, że rozkład widmowy emisji spada w szerokim zakresie długości fal, od 200 do 750 nm. Prace Poppa dotyczące statystycznych właściwości emisji biofotonów, a mianowicie twierdzenia dotyczące jej spójności, zostały skrytykowane za brak naukowego rygoru.

Jeden z mechanizmów biofotonów koncentruje się na uszkodzonych komórkach, które znajdują się pod wyższym poziomem stresu oksydacyjnego , który jest jednym ze źródeł światła i może być uważany za „sygnał niepokoju” lub podstawowy proces chemiczny, ale ten mechanizm nie został jeszcze zademonstrowany. Trudność w wydobyciu skutków jakichkolwiek rzekomych biofotonów wśród innych licznych interakcji chemicznych między komórkami utrudnia sformułowanie testowalnej hipotezy. Artykuł przeglądowy z 2010 r. omawia różne opublikowane teorie dotyczące tego rodzaju sygnalizacji.

Hipoteza komunikacji komórkowej przez biofotony została mocno skrytykowana za brak wyjaśnienia, w jaki sposób komórki mogą wykrywać sygnały fotoniczne o kilka rzędów wielkości słabsze niż naturalne oświetlenie tła.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki