Biofoton

För vetenskapen om interaktioner mellan ljus och levande varelser, se biofotonik .

Biophotons (från grekiskans βίος som betyder "liv" och φῶς som betyder "ljus") är fotoner av ljus i det ultravioletta och låga synliga ljusområdet som produceras av ett biologiskt system . De är icke-termiska till sitt ursprung, och emissionen av biofotoner är tekniskt sett en typ av bioluminescens , även om bioluminescens i allmänhet är reserverad för luciferin / luciferassystem med högre luminans . Termen biofoton som används i denna snäva betydelse bör inte förväxlas med det bredare fältet biofotonik , som studerar ljusets allmänna interaktion med biologiska system.

Biologiska vävnader producerar vanligtvis en observerad strålningsemittans i de synliga och ultravioletta frekvenserna som sträcker sig från 10 ⁻¹⁷ till 10 ⁻²³ W/cm ² (ca 1-1000 fotoner/cm ² /sekund). Denna låga nivå av ljus har en mycket svagare intensitet än det synliga ljuset som produceras av bioluminescens, men biofotoner kan detekteras ovanför bakgrunden av termisk strålning som emitteras av vävnader vid deras normala temperatur.

Även om upptäckt av biofotoner har rapporterats av flera grupper, hypoteser om att sådana biofotoner indikerar tillståndet hos biologiska vävnader och underlättar en form av cellulär kommunikation är fortfarande under utredning, Alexander Gurwitsch , som upptäckte förekomsten av biofotoner, tilldelades Stalinpriset 1941 för sitt arbete.

Detektion och mätning

Biofotoner kan detekteras med fotomultiplikatorer eller med hjälp av en CCD-kamera med ultralågt brus för att producera en bild, med en exponeringstid på typiskt 15 minuter för växtmaterial. Fotomultiplikatorrör har använts för att mäta biofotonutsläpp från fiskägg, och vissa applikationer har mätt biofotoner från djur och människor. Electron Multiplying CCD (EM-CCD) optimerad för detektering av ultrasvagt ljus har också använts för att detektera bioluminescensen som produceras av jästceller i början av deras tillväxt.

Den typiska observerade strålningsemittansen av biologiska vävnader i de synliga och ultravioletta frekvenserna sträcker sig från 10 ⁻¹⁷ till 10 ⁻²³ W/cm ² med ett fotonantal från några till nästan 1000 fotoner per cm ² i intervallet 200 nm till 800 nm .

Föreslagna fysiska mekanismer

Kemi-excitation via oxidativ stress av reaktiva syrearter och/eller katalys av enzymer (dvs peroxidas , lipoxygenas ) är en vanlig händelse i den biomolekylära miljön . Sådana reaktioner kan leda till bildandet av triplettexciterade arter, som frigör fotoner när de återgår till en lägre energinivå i en process som är analog med fosforescens . Att denna process är en bidragande faktor till spontan biofotonemission har indikerats av studier som visar att biofotonemission kan ökas genom att utarma analyserad vävnad på antioxidanter eller genom tillsats av karbonylderivatiseringsmedel. Ytterligare stöd ges av studier som tyder på att utsläppen kan ökas genom tillsats av reaktiva syreämnen .

Växter

Avbildning av biofotoner från löv har använts som en metod för att analysera R-gensvar. Dessa gener och deras associerade proteiner är ansvariga för patogenigenkänning och aktivering av försvarssignaleringsnätverk som leder till det överkänsliga svaret, vilket är en av mekanismerna för växternas motståndskraft mot patogeninfektion. Det involverar generering av reaktiva syrearter (ROS), som har avgörande roller i signaltransduktion eller som toxiska medel som leder till celldöd.

Biofotoner har också observerats i rötterna på stressade växter. I friska celler minimeras koncentrationen av ROS av ett system av biologiska antioxidanter. Värmechock och andra påfrestningar förändrar dock jämvikten mellan oxidativ stress och antioxidantaktivitet, till exempel inducerar den snabba temperaturökningen biofotonemission av ROS.

Hypoteserad involvering i cellulär kommunikation

På 1920-talet rapporterade den ryske embryologen Alexander Gurwitsch om "ultrasvaga" fotonemissioner från levande vävnader i spektrumets UV-område. Han kallade dem "mitogenetiska strålar" eftersom hans experiment övertygade honom om att de hade en stimulerande effekt på celldelningen .

På 1970-talet visade Fritz-Albert Popp och hans forskargrupp vid universitetet i Marburg ( Tyskland ) att spektralfördelningen av emissionen föll över ett brett spektrum av våglängder, från 200 till 750 nm. Popps arbete med biofotonemissionens statistiska egenskaper, nämligen påståendena om dess koherens, kritiserades för bristande vetenskaplig rigor.

En biofotonmekanism fokuserar på skadade celler som är under högre nivåer av oxidativ stress , vilket är en källa till ljus, och kan anses utgöra en "nödsignal" eller en kemisk bakgrundsprocess, men denna mekanism har ännu inte demonstrerats. Svårigheten att reta ut effekterna av alla förmodade biofotoner bland de andra många kemiska interaktionerna mellan celler gör det svårt att utarbeta en testbar hypotes. En översiktsartikel från 2010 diskuterar olika publicerade teorier om denna typ av signalering.

Hypotesen om cellulär kommunikation av biofotoner kritiserades hårt för att inte förklara hur celler kunde upptäcka fotoniska signaler flera storleksordningar svagare än den naturliga bakgrundsbelysningen.

Se även

• Kemiluminescens
• Luminofor
• Fosforescens

Vidare läsning

•   Beloussov LV, Voeikov VL, Martynyuk VS (2007). Biofotonik och koherenta system i biologi . New York, NY: Springer. ISBN 978-0387-28378-4 .
• Hyland GJ (december 1998). "Icke-termiska bioeffekter inducerade av lågintensiv mikrovågsstrålning av levande system" . Engineering Science & Education Journal . 7 (6): 261–9. doi : 10.1049/esej:19980606 .
• Kühnert H. "Wirkungsweise der Biophotonen" [Hur biofotoner fungerar] (på tyska).
•   Popp FA, Li KH, Gu Q (1992). Nya framsteg inom biofotonforskning och dess tillämpningar . Singapore: World Scientific. ISBN 978-981-02-0855-4 . Arkiverad från originalet 2009-02-20.
• Tilbury RN, Gregg DJ, Percival JM (1997). Ultrasvag kemiluminescens från humant blodplasma . 1:a internetkonferensen om fotokemi och fotobiologi.

externa länkar

• Bischof M. "Bibliografi om biofotonforskning och relaterade ämnen" . Internationella institutet för biofysik . Arkiverad från originalet 2010-01-25.
• Hyland GJ. "Fundaments of Coherence in Biology" . Biofotonik . Arkiverad från originalet 2004-05-19.