stringtranslate.com

Биофотон

Биофотоны (от греческого βίος, означающего «жизнь», и φῶς, означающего «свет») — это 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 систем люциферин / люцифераза с более высокой яркостью . 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 наблюдаемую излучательную способность в видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот в диапазоне от 10 -17 до 10 -23 Вт/см 2 (приблизительно 1-1000 фотонов/см 2 /секунду). [1] Этот низкий уровень света имеет гораздо более слабую интенсивность, чем видимый свет, производимый 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 в 1941 году Сталинской премии за свои работы. [8]

Обнаружение и измерение

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 рыбьей икры, [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 использовалась для обнаружения биолюминесценции, производимой дрожжевыми клетками в начале их роста. [15]

Типичный наблюдаемый коэффициент излучения биологических тканей в видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот составляет от 10 -17 до 10 -23 Вт/см 2 при количестве фотонов от нескольких до почти 1000 фотонов на см 2 в диапазоне от 200 до 800 нм. . [1]

Предлагаемые физические механизмы

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 добавлением карбонильных производных агентов. [18] Дополнительную поддержку подтверждают исследования, показывающие, что выбросы могут быть увеличены за счет добавления активных форм кислорода . [19]

Растения

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] которая является одним из механизмов устойчивости растений к заражению патогенами. 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

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 цитата ] Трудность выявления эффектов любых 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 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Popp FA (май 2003 г.). «Свойства биофотонов и их теоретическое значение». Индийский журнал экспериментальной биологии . 41 (5): 391–402. ПМИД  15244259.
  2. ^ ab Cifra M, Brouder C, Nerudová M, Kučera O (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.
  3. ^ ab Такеда М., Кобаяши М., Такаяма М., Судзуки С., Исида Т., Охнуки 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 . PMID  15298728. S2CID  21875229. 
  4. ^ 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. PMID  20637006. S2CID  24243914.
  5. ^ 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.
  6. ^ Баджпай Р. (2009). «Биофотоны: ключ к разгадке тайны «жизни»". В Мейер-Рочове В.Б. (ред.). Биолюминесценция в фокусе - сборник разъяснительных эссе . Том 1. Керала, Индия: Research Signpost. Стр. 357–385. ISBN 9788130803579. ОСЛК  497860307.
  7. ^ 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. PMID  29293442. S2CID  29847303.
  8. ^ 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.
  9. ^ аб 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. doi : 10.1094/MPMI-18-0095. ПМИД  15720077.
  10. ^ Йирка Б (май 2012 г.). «Исследования показывают, что клетки общаются посредством биофотонов» . Проверено 26 января 2016 г.
  11. ^ 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. 
  12. ^ 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. doi :10.1016/j.neulet.2012.02.021. PMID  22343311. S2CID  207135123.
  13. ^ Присоединяется к WT, Бауманну С.Б., Круту Дж.Г. (2012). «Электромагнитное излучение человека при сосредоточенном намерении». Журнал парапсихологии . 76 (2): 275–294.
  14. ^ Кауа I, Грасиани Дж, Ким А, Амблард Ф (февраль 2021 г.). «Оптимизация обнаруживаемости для обнаружения сверхслабых световых потоков с помощью EM-CCD в качестве матрицы счетчиков двоичных фотонов». Научные отчеты . 11 (1): 3530. Бибкод : 2021NatSR..11.3530K. дои : 10.1038/s41598-021-82611-8. ПМЦ 7878522 . ПМИД  33574351. 
  15. ^ Кауа I, Грасиани 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 : 2021NatSR..1110050K. дои : 10.1038/s41598-021-88091-0. ПМЦ 8113247 . ПМИД  33976267. 
  16. ^ 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.
  17. ^ 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.
  18. ^ 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.
  19. ^ Боверис А, Каденас Э, Рейтер Р, Филипковски М, Накасе Ю, Шанс Б (январь 1980 г.). «Хемилюминесценция органа: 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. 
  20. ^ 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.
  21. ^ 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.
  22. ^ 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. 
  23. ^ Гурвич А.А. (июль 1988 г.). «Исторический обзор проблемы митогенетической радиации». Эксперименты . 44 (7): 545–50. дои : 10.1007/bf01953301. PMID  3294029. S2CID  10930945.
  24. ^ Вейк Р.В., Вейк EP (апрель 2005 г.). «Введение в биофотонную эмиссию человека». Forschende Komplementärmedizin und Klassische Naturheilkunde . 12 (2): 77–83. дои : 10.1159/000083763. PMID  15947465. S2CID  25794113.
  25. ^ Cifra M, Fields JZ, 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.
  26. ^ Кучера О, Цифра М (ноябрь 2013 г.). «Передача сигналов от клетки к клетке посредством света: всего лишь призрак случайности?». Сотовая связь и сигнализация . 11 (87): 87. дои : 10.1186/1478-811X-11-87 . ПМЦ 3832222 . ПМИД  24219796. 

дальнейшее чтение

Внешние ссылки