Биофотон
Биофотоны (от греческого βίος, означающего «жизнь», и φῶς, означающего «свет»), представляют собой фотоны света в ультрафиолетовом и низковидимом диапазоне, которые производятся биологической системой . Они нетеплового происхождения, и испускание биофотонов технически является разновидностью биолюминесценции , хотя биолюминесценция обычно предназначена для с более высокой яркостью люциферин / люцифераза систем . Термин «биофотон», используемый в этом узком смысле, не следует путать с более широкой областью биофотоники , которая изучает общее взаимодействие света с биологическими системами.
Биологические ткани обычно производят наблюдаемый коэффициент излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне частот в диапазоне от 10 −17 до 10 −23 Вт/см 2 (приблизительно 1-1000 фотонов/см 2 /второй). [1] Этот низкий уровень света имеет гораздо меньшую интенсивность, чем видимый свет, создаваемый биолюминесценцией, но биофотоны обнаруживаются на фоне теплового излучения , испускаемого тканями при их нормальной температуре. [2]
Хотя об обнаружении биофотонов сообщили несколько групп, [3] [4] [5] гипотезы о том, что такие биофотоны указывают на состояние биологических тканей и облегчают форму клеточной коммуникации, все еще исследуются, [6] [7] Александр Гурвич , открывший существование биофотонов, был удостоен Сталинской премии в 1941 году за свою работу. [8]
Обнаружение и измерение
[ редактировать ]Биофотоны могут быть обнаружены с помощью фотоумножителей или с помощью ПЗС-камеры со сверхмалым шумом для создания изображения, используя время экспозиции обычно 15 минут для растительных материалов. [9] [3] Фотоумножители использовались для измерения биофотонного излучения икры рыб. [10] а в некоторых приложениях измерялись биофотоны животных и людей. [11] [12] [13] ПЗС-матрица электронного умножения (EM-CCD), оптимизированная для обнаружения сверхслабого света [14] также использовались для обнаружения биолюминесценции, производимой дрожжевыми клетками в начале их роста. [15]
Типичный наблюдаемый коэффициент излучения биологических тканей в видимом и ультрафиолетовом диапазоне частот составляет от 10 −17 до 10 −23 Вт/см 2 с числом фотонов от нескольких до почти 1000 фотонов на см 2 в диапазоне от 200 до 800 нм. [1]
Предлагаемые физические механизмы
[ редактировать ]Хемивозбуждение посредством окислительного стресса активными формами кислорода или катализа ферментами ( например, пероксидазой , липоксигеназой ) является обычным явлением в биомолекулярной среде . [16] Такие реакции могут привести к образованию триплетно- возбужденных частиц, которые высвобождают фотоны при возвращении на более низкий энергетический уровень в процессе, аналогичном фосфоресценции . То, что этот процесс является фактором, способствующим спонтанной эмиссии биофотонов, было подтверждено исследованиями, демонстрирующими, что эмиссия биофотонов может быть увеличена за счет истощения анализируемой ткани антиоксидантами. [17] или путем добавления карбонильных производных агентов. [18] Дополнительную поддержку обеспечивают исследования, показывающие, что выбросы могут быть увеличены за счет добавления активных форм кислорода . [19]
Растения
[ редактировать ]Визуализация биофотонов листьев использовалась как метод анализа ответов R-гена. [9] Эти гены и связанные с ними белки ответственны за распознавание патогенов и активацию защитных сигнальных сетей, приводящих к гиперчувствительной реакции. [20] что является одним из механизмов устойчивости растений к заражению патогеном. Он включает в себя генерацию активных форм кислорода (АФК), которые играют решающую роль в передаче сигнала или являются токсичными агентами, приводящими к гибели клеток. [21]
Биофотоны также наблюдались в корнях растений, подвергшихся стрессу. В здоровых клетках концентрация АФК минимизируется системой биологических антиоксидантов. Однако тепловой шок и другие стрессы изменяют равновесие между окислительным стрессом и антиоксидантной активностью, например, быстрое повышение температуры индуцирует эмиссию биофотонов АФК. [22]
Предполагаемое участие в сотовой связи
[ редактировать ]В 1920-х годах русский эмбриолог Александр Гурвич сообщил о «сверхслабом» излучении фотонов живыми тканями в УФ-диапазоне спектра. Он назвал их «митогенетическими лучами», потому что его эксперименты убедили его в том, что они оказывают стимулирующее действие на деление клеток . [23]
В 1970-х годах Фриц-Альберт Попп и его исследовательская группа в Марбургском университете ( Германия ) показали, что спектральное распределение излучения попадает в широкий диапазон длин волн, от 200 до 750 нм. [24] Работа Поппа о статистических свойствах биофотонной эмиссии, а именно утверждения о ее когерентности, подверглась критике за отсутствие научной строгости. [2]
Один биофотонный механизм фокусируется на поврежденных клетках, которые находятся под более высоким уровнем окислительного стресса , который является одним из источников света и может рассматриваться как «сигнал бедствия» или фоновый химический процесс, но этот механизм еще предстоит продемонстрировать. [ нужна ссылка ] Трудность выявления эффектов каких-либо предполагаемых биофотонов среди других многочисленных химических взаимодействий между клетками затрудняет разработку проверяемой гипотезы. В обзорной статье 2010 года обсуждаются различные опубликованные теории этого типа передачи сигналов. [25]
Гипотеза о клеточной коммуникации с помощью биофотонов подверглась резкой критике за неспособность объяснить, как клетки могут обнаруживать фотонные сигналы, которые на несколько порядков слабее естественного фонового освещения. [26]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Попп Ф.А. (май 2003 г.). «Свойства биофотонов и их теоретическое значение» . Индийский журнал экспериментальной биологии . 41 (5): 391–402. ПМИД 15244259 .
- ^ Jump up to: а б Цифра М., Броудер С., Нерудова М., Кучера О. (2015). «Биофотоны, когерентность и статистика фотоотсчета: критический обзор». Журнал люминесценции . 164 : 38–51. arXiv : 1502.07316 . Бибкод : 2015JLum..164...38C . doi : 10.1016/j.jlumin.2015.03.020 . S2CID 97425113 .
- ^ Jump up to: а б Такеда М., Кобаяши М., Такаяма М., Сузуки С., Исида Т., Онуки К. и др. (август 2004 г.). «Обнаружение биофотонов как новый метод визуализации рака» . Раковая наука . 95 (8): 656–61. дои : 10.1111/j.1349-7006.2004.tb03325.x . ПМЦ 11160017 . ПМИД 15298728 . S2CID 21875229 .
- ^ Растоги А., Посписил П. (август 2010 г.). «Сверхслабое фотонное излучение как неинвазивный инструмент мониторинга окислительных процессов в клетках эпидермиса кожи человека: сравнительное исследование на дорсальной и ладонной стороне руки». Исследования кожи и технологии . 16 (3): 365–70. дои : 10.1111/j.1600-0846.2010.00442.x . ПМИД 20637006 . S2CID 24243914 .
- ^ Ниггли HJ (май 1993 г.). «Искусственное солнечное облучение вызывает сверхслабое фотонное излучение в фибробластах кожи человека». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 18 (2–3): 281–5. дои : 10.1016/1011-1344(93)80076-Л . ПМИД 8350193 .
- ^ Баджпай Р. (2009). «Биофотоны: ключ к разгадке тайны «жизни» ». В Мейер-Рохов В.Б. (ред.). Биолюминесценция в фокусе — сборник просветляющих эссе . Том. 1. Керала, Индия: Указатель исследований. стр. 357–385. ISBN 9788130803579 . OCLC 497860307 .
- ^ Заркешян П., Кумар С., Тушински Дж., Барклай П., Саймон С. (март 2018 г.). «Есть ли в мозгу оптические каналы связи?» . Границы бионауки (Landmark Edition) . 23 (8): 1407–1421. arXiv : 1708.08887 . дои : 10.2741/4652 . ПМИД 29293442 . S2CID 29847303 .
- ^ Белоусов Л.В., Опиц Дж.М., Гилберт С.Ф. (декабрь 1997 г.). «Жизнь Александра Гурвича и его соответствующий вклад в теорию морфогенетических полей» . Международный журнал биологии развития . 41 (6): 771–7, комментарий 778–9. ПМИД 9449452 .
- ^ Jump up to: а б Беннетт М., Мехта М., Грант М. (февраль 2005 г.). «Биофотонная визуализация: неразрушающий метод анализа ответов гена R». Молекулярные растительно-микробные взаимодействия . 18 (2): 95–102. дои : 10.1094/MPMI-18-0095 . ПМИД 15720077 .
- ^ Йирка Б (май 2012 г.). «Исследования показывают, что клетки общаются посредством биофотонов» . Проверено 26 января 2016 г. .
- ^ Кобаяши М., Кикучи Д., Окамура Х. (июль 2009 г.). «Визуализация сверхслабого спонтанного излучения фотонов человеческого тела, отображающего суточный ритм» . ПЛОС ОДИН . 4 (7): е6256. Бибкод : 2009PLoSO...4.6256K . дои : 10.1371/journal.pone.0006256 . ПМК 2707605 . ПМИД 19606225 .
- ^ Дотта Б.Т., Сарока К.С., Персингер М.А. (апрель 2012 г.). «Увеличенное излучение фотонов из головы при воображении света в темноте коррелирует с изменениями мощности электроэнцефалографии: поддержка биофотонной гипотезы Боккона». Письма по неврологии . 513 (2): 151–4. дои : 10.1016/j.neulet.2012.02.021 . ПМИД 22343311 . S2CID 207135123 .
- ^ Присоединяется к WT, Бауманну С.Б., Круту Дж.Г. (2012). «Электромагнитное излучение человека при сосредоточенном намерении». Журнал парапсихологии . 76 (2): 275–294.
- ^ Кауа И., Грасиани Дж., Ким А., Амблард Ф. (февраль 2021 г.). «Оптимизация обнаружения для обнаружения сверхслабых световых потоков с помощью EM-CCD в качестве матрицы счетчиков двоичных фотонов» . Научные отчеты . 11 (1): 3530. Бибкод : 2021НатСР..11.3530К . дои : 10.1038/s41598-021-82611-8 . ПМЦ 7878522 . ПМИД 33574351 .
- ^ Кауа И., Грациани Дж., Ким А., Амблард Ф. (май 2021 г.). «Стохастическая концентрация света от 3D до 2D обнаруживает сверхслабую хеми- и биолюминесценцию» . Научные отчеты . 11 (1): 10050. Бибкод : 2021НатСР..1110050К . дои : 10.1038/s41598-021-88091-0 . ПМЦ 8113247 . ПМИД 33976267 .
- ^ Чиленто Дж., Адам В. (июль 1995 г.). «От свободных радикалов к электронно-возбужденным видам». Свободно-радикальная биология и медицина . 19 (1): 103–14. дои : 10.1016/0891-5849(95)00002-F . ПМИД 7635351 .
- ^ Урсини Ф., Барсакки Р., Пелоси Г., Бенасси А. (июль 1989 г.). «Окислительный стресс в сердце крыс, исследования низкоуровневой хемилюминесценции». Журнал биолюминесценции и хемилюминесценции . 4 (1): 241–4. дои : 10.1002/bio.1170040134 . ПМИД 2801215 .
- ^ Катаока Ю, Цуй Ю, Ямагата А, Ниигаки М, Хирохата Т, Оиси Н, Ватанабэ Ю (июль 2001 г.). «Зависимое от активности окисление нервной ткани испускает собственные сверхслабые фотоны». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 285 (4): 1007–11. дои : 10.1006/bbrc.2001.5285 . ПМИД 11467852 .
- ^ Боверис А., Каденас Э., Райтер Р., Филипковски М., Накасе Ю., Ченс Б. (январь 1980 г.). «Органная хемилюминесценция: неинвазивный анализ окислительно-радикальных реакций» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 77 (1): 347–51. Бибкод : 1980PNAS...77..347B . дои : 10.1073/pnas.77.1.347 . ПМЦ 348267 . ПМИД 6928628 .
- ^ Инигес А.Л., Донг Ю., Картер Х.Д., Ахмер Б.М., Стоун Дж.М., Триплетт Э.В. (февраль 2005 г.). «Регуляция колонизации кишечных эндофитных бактерий средствами защиты растений» . Молекулярные растительно-микробные взаимодействия . 18 (2): 169–78. дои : 10.1094/MPMI-18-0169 . ПМИД 15720086 .
- ^ Кобаяши М., Сасаки К., Эномото М., Эхара Ю. (2006). «Высокочувствительное определение временной генерации биофотонов во время сверхчувствительной реакции на вирус мозаики огурца в вигне» . Журнал экспериментальной ботаники . 58 (3): 465–72. дои : 10.1093/jxb/erl215 . ПМИД 17158510 .
- ^ Кобаяши К., Окабе Х., Кавано С., Хидака Ю., Хара К. (2014). «Биофотонная эмиссия, вызванная тепловым шоком» . ПЛОС ОДИН . 9 (8): е105700. Бибкод : 2014PLoSO...9j5700K . дои : 10.1371/journal.pone.0105700 . ПМЦ 4143285 . ПМИД 25153902 .
- ^ Гурвич А.А. (июль 1988 г.). «Исторический обзор проблемы митогенетической радиации». Эксперименты . 44 (7): 545–50. дои : 10.1007/bf01953301 . ПМИД 3294029 . S2CID 10930945 .
- ^ Вейк Р.В., Вейк Е.П. (апрель 2005 г.). «Введение в биофотонную эмиссию человека». Научно-обоснованная дополнительная медицина и классическая натуропатия . 12 (2): 77–83. дои : 10.1159/000083763 . ПМИД 15947465 . S2CID 25794113 .
- ^ Цифра М., Филдс Дж.З., Фархади А. (май 2011 г.). «Электромагнитные клеточные взаимодействия». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 105 (3): 223–46. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.003 . ПМИД 20674588 .
- ^ Кучера О, Цифра М (ноябрь 2013 г.). «Передача сигналов от клетки к клетке посредством света: всего лишь призрак случая?» . Сотовая связь и сигнализация . 11 (87): 87. дои : 10.1186/1478-811X-11-87 . ПМЦ 3832222 . ПМИД 24219796 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Белоусов Л.В., Воейков В.Л., Мартынюк В.С. (2007). Биофотоника и когерентные системы в биологии . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0387-28378-4 .
- Хайланд Дж.Дж. (декабрь 1998 г.). «Нетепловые биоэффекты, вызываемые низкоинтенсивным микроволновым облучением живых систем» . Журнал инженерной науки и образования . 7 (6): 261–9. дои : 10.1049/esej:19980606 .
- Кюнерт Х. «Wirkungsweise der Biophotonen» [Как работают биофотоны] (на немецком языке). Архивировано из оригинала 2 августа 2021 г. Проверено 18 сентября 2017 г.
- Попп Ф.А., Ли К.Х., Гу Ц (1992). Последние достижения в области биофотонных исследований и их приложений . Сингапур: World Scientific. ISBN 978-981-02-0855-4 . Архивировано из оригинала 20 февраля 2009 г.
- Тилбери Р.Н., Грегг DJ, Персиваль Дж.М. (1997). Сверхслабая хемилюминесценция плазмы крови человека . 1-я интернет-конференция по фотохимии и фотобиологии.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бишоф М. «Библиография по биофотонным исследованиям и смежным темам» . Международный институт биофизики . Архивировано из оригинала 25 января 2010 г.
- Хайланд Дж.Дж. «Основы когерентности в биологии» . Биофотоник . Архивировано из оригинала 19 мая 2004 г.