Биофотоны: свет, излучаемый живыми организмами. Ультраслабое свечение, его природа и роль в клеточной коммуникации – предмет исследований. Открытие А. Гуревича.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Фотоны из биологического источника
наука о взаимодействии света и живых организмов
Photon from a biological source
the science of interactions of light and living beings
Биофотоны (от греческого βίος, означающего «жизнь», и φῶς, означающего «свет») – это фотоны света в ультрафиолетовом и ближнем видимом диапазонах, производимые биологической системой. Они не имеют тепловой природы, а эмиссия биофотонов технически является разновидностью биолюминесценции, хотя термин «биолюминесценция» обычно используется для систем люциферин/люцифераз с более высокой яркостью. Термин «биофотон» в этом узком смысле не следует путать с более широкой областью биофотоники, которая изучает общее взаимодействие света с биологическими системами. Биологические ткани обычно производят наблюдаемое излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот в пределах от 10−17 до 10−23 Вт/см2 (приблизительно 1000 фотонов/см2/секунду). Хотя обнаружение биофотонов было зафиксировано несколькими группами, гипотезы о том, что эти биофотоны отражают состояние биологических тканей и обеспечивают форму клеточной коммуникации, все еще находятся на стадии изучения. Александр Гурвич, открывший существование биофотонов, был удостоен Сталинской премии в 1941 году за свою работу.
Biophotons (from the Greek βίος meaning "life" and φῶς meaning "light") are photons of light in the ultraviolet and low visible light range that are produced by a biological system. They are non thermal in origin, and the emission of biophotons is technically a type of bioluminescence, though bioluminescence is generally reserved for higher luminance luciferin/luciferase systems. The term biophoton used in this narrow sense should not be confused with the broader field of biophotonics, which studies the general interaction of light with biological systems. Biological tissues typically produce an observed radiant emittance in the visible and ultraviolet frequencies ranging from 10−17 to 10−23 W/cm2 (approx 1 1000 photons/cm2/second). While detection of biophotons has been reported by several groups, hypotheses that such biophotons indicate the state of biological tissues and facilitate a form of cellular communication are still under investigation, Alexander Gurwitsch, who discovered the existence of biophotons, was awarded the Stalin Prize in 1941 for his work.
Обнаружение и измерение
Биофотоны могут быть обнаружены с помощью фотоумножителей или сверхнизкошумной ПЗС-камеры для получения изображения, при этом время экспозиции обычно составляет 15 минут для растительных материалов. Некоторые исследования измеряли биофотоны у животных и людей. Для регистрации биолюминесценции, производимой клетками дрожжей в начале роста, также использовались ПЗС-камеры с электронным умножением (ЭМ ПЗС), оптимизированные для детектирования ультраслабого света. Типичная наблюдаемая излучательная способность биологических тканей в видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот составляет от 10−17 до 10−23 Вт/см², при количестве фотонов от нескольких до почти 1000 фотонов на см² в диапазоне от 200 нм до 800 нм.
Biophotons may be detected with photomultipliers or by means of an ultra low noise CCD camera to produce an image, using an exposure time of typically 15 minutes for plant materials. and some applications have measured biophotons from animals and humans. Electron Multiplying CCD (EM CCD) optimized for the detection of ultraweak light have also been used to detect the bioluminescence produced by yeast cells at the onset of their growth. The typical observed radiant emittance of biological tissues in the visible and ultraviolet frequencies ranges from 10−17 to 10−23 W/cm2 with a photon count from a few to nearly 1000 photons per cm2 in the range of 200 nm to 800 nm.
Предлагаемые физические механизмы
Химическое возбуждение посредством окислительного стресса, вызванного реактивными формами кислорода или катализируемого ферментами (например, пероксидазой, липоксигеназой), – обычное явление в биомолекулярной среде. Такие реакции могут приводить к образованию триплетных возбужденных состояний, которые излучают фотоны при переходе на более низкий энергетический уровень в процессе, аналогичном фосфоресценции. Подтверждением того, что этот процесс вносит вклад в спонтанную биофотонную эмиссию, служат исследования, демонстрирующие увеличение биофотонной эмиссии при истощении антиоксидантов в исследуемой ткани или добавлении агентов, производящих карбонильные соединения. Дополнительную поддержку предоставляют исследования, показывающие, что эмиссия может быть увеличена при добавлении реактивных форм кислорода.
Chemi excitation via oxidative stress by reactive oxygen species or catalysis by enzymes (i. e., peroxidase, lipoxygenase) is a common event in the biomolecular milieu. Such reactions can lead to the formation of triplet excited species, which release photons upon returning to a lower energy level in a process analogous to phosphorescence. That this process is a contributing factor to spontaneous biophoton emission has been indicated by studies demonstrating that biophoton emission can be increased by depleting assayed tissue of antioxidants or by addition of carbonyl derivatizing agents. Further support is provided by studies indicating that emission can be increased by addition of reactive oxygen species.
Растения
Визуализация биофотонов из листьев использовалась как метод для оценки ответов генов R, которые являются одним из механизмов устойчивости растений к инфекциям патогенов. Этот механизм включает в себя генерацию реактивных видов кислорода (ROS), играющих ключевую роль в передаче сигналов или выступающих в качестве токсичных агентов, приводящих к гибели клеток. Биофотоны также наблюдались в корнях растений, находящихся в состоянии стресса. В здоровых клетках концентрация ROS минимизируется системой биологических антиоксидантов. Однако тепловой шок и другие стрессовые факторы изменяют равновесие между окислительным стрессом и антиоксидантной активностью; например, быстрое повышение температуры индуцирует эмиссию биофотонов ROS.
Imaging of biophotons from leaves has been used as a method for assaying R gene responses. which is one of the mechanisms of the resistance of plants to pathogen infection. It involves the generation of reactive oxygen species (ROS), which have crucial roles in signal transduction or as toxic agents leading to cell death. Biophotons have been also observed in the roots of stressed plants. In healthy cells, the concentration of ROS is minimized by a system of biological antioxidants. However, heat shock and other stresses changes the equilibrium between oxidative stress and antioxidant activity, for example, the rapid rise in temperature induces biophoton emission by ROS.
Гипотетическое участие в клеточной коммуникации
В 1920-х годах российский эмбриолог Александр Гурвич сообщил об "ультраслабом" излучении фотонов живыми тканями в УФ-диапазоне спектра. Он назвал их "митогенетическими лучами", поскольку его эксперименты убедили его в том, что они оказывают стимулирующее воздействие на деление клеток. В 1970-х годах Фриц Альберт Попп и его исследовательская группа из Университета Марбурга (Германия) показали, что спектральное распределение излучения охватывает широкий диапазон длин волн – от 200 до 750 нм. Работы Поппа, посвященные статистическим свойствам биофотонного излучения, в частности, утверждениям о его когерентности, подверглись критике за недостаток научной обоснованности. Гипотеза о клеточной коммуникации посредством биофотонов подверглась серьезной критике за неспособность объяснить, каким образом клетки могут обнаруживать фотонные сигналы, которые на несколько порядков слабее естественного фонового освещения.
In the 1920s, the Russian embryologist Alexander Gurwitsch reported "ultraweak" photon emissions from living tissues in the UV range of the spectrum. He named them "mitogenetic rays" because his experiments convinced him that they had a stimulating effect on cell division. In the 1970s Fritz Albert Popp and his research group at the University of Marburg (Germany) showed that the spectral distribution of the emission fell over a wide range of wavelengths, from 200 to 750 nm. Popp's work on the biophoton emission's statistical properties, namely the claims on its coherence, was criticised for lack of scientific rigour. The hypothesis of cellular communication by biophotons was highly criticised for failing to explain how could cells detect photonic signals several orders of magnitude weaker than the natural background illumination.