Los biofotones (del griego βίος que significa "vida" y φῶς que significa "luz") son fotones de luz en el rango de luz ultravioleta y baja visible que son producidos por un sistema biológico . Son de origen no térmico y la emisión de biofotones es técnicamente un tipo de bioluminiscencia , aunque la bioluminiscencia generalmente se reserva para sistemas luciferina / luciferasa de luminancia más alta . El término biofotón utilizado en este sentido estricto no debe confundirse con el campo más amplio de la biofotónica., que estudia la interacción general de la luz con los sistemas biológicos.
Los tejidos biológicos típicamente producen una emitancia radiante observada en las frecuencias visible y ultravioleta que van desde 10-17 a 10-23 W / cm 2 (aproximadamente 1-1000 fotones / cm 2 / segundo). [1] Este bajo nivel de luz tiene una intensidad mucho más débil que la luz visible producida por bioluminiscencia, pero los biofotones son detectables por encima del fondo de radiación térmica emitida por los tejidos a su temperatura normal. [2]
Si bien varios grupos han informado sobre la detección de biofotones, [3] [4] [5] las hipótesis de que dichos biofotones indican el estado de los tejidos biológicos y facilitan una forma de comunicación celular aún están bajo investigación, [6] [7] Alexander Gurwitsch , que descubrió la existencia de biofotones, fue galardonado con el Premio Stalin en 1941 por su trabajo. [8]
Detección y medición
Los biofotones pueden detectarse con fotomultiplicadores o por medio de una cámara CCD de ruido ultrabajo para producir una imagen, utilizando un tiempo de exposición de típicamente 15 minutos para materiales vegetales. [9] [10] Se han utilizado tubos fotomultiplicadores para medir las emisiones de biofotones de los huevos de peces, [11] y algunas aplicaciones han medido biofotones de animales y humanos. [12] [13] [14] Los CCD de multiplicación de electrones (EM-CCD) optimizados para la detección de luz ultra débil [15] también se han utilizado para detectar la bioluminiscencia producida por las células de levadura al inicio de su crecimiento. [dieciséis]
La emitancia radiante típica observada de los tejidos biológicos en las frecuencias visible y ultravioleta varía de 10-17 a 10-23 W / cm 2 con un recuento de fotones de unos pocos a casi 1000 fotones por cm 2 en el rango de 200 nm a 800 nm. . [1]
Mecanismos físicos propuestos
La quimioexcitación a través del estrés oxidativo por especies reactivas de oxígeno y / o catálisis por enzimas (es decir, peroxidasa , lipoxigenasa ) es un evento común en el medio biomolecular . [17] Tales reacciones pueden conducir a la formación de especies excitadas por triplete , que liberan fotones al regresar a un nivel de energía más bajo en un proceso análogo a la fosforescencia . Que este proceso es un factor que contribuye a la emisión espontánea de biofotones ha sido indicado por estudios que demuestran que la emisión de biofotones puede incrementarse agotando el tejido analizado de antioxidantes [18] o mediante la adición de agentes derivatizantes de carbonilo. [19] Los estudios que indican que las emisiones pueden aumentarse mediante la adición de especies reactivas de oxígeno proporcionan más apoyo . [20]
Plantas
La obtención de imágenes de biofotones de las hojas se ha utilizado como método para analizar las respuestas del gen R. [21] Estos genes y sus proteínas asociadas son responsables del reconocimiento de patógenos y la activación de las redes de señalización de defensa que conducen a la respuesta hipersensible, [22] que es uno de los mecanismos de resistencia de las plantas a la infección por patógenos. Implica la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), que tienen funciones cruciales en la transducción de señales o como agentes tóxicos que conducen a la muerte celular. [23]
También se han observado biofotones en las raíces de plantas estresadas. En las células sanas, la concentración de ROS se minimiza mediante un sistema de antioxidantes biológicos. Sin embargo, el choque térmico y otras tensiones cambian el equilibrio entre el estrés oxidativo y la actividad antioxidante, por ejemplo, el rápido aumento de temperatura induce la emisión de biofotones por ROS. [24]
Participación hipotética en la comunicación celular
En la década de 1920, el embriólogo ruso Alexander Gurwitsch informó sobre emisiones de fotones "ultra débiles" de los tejidos vivos en el rango UV del espectro. Los llamó "rayos mitogenéticos" porque sus experimentos lo convencieron de que tenían un efecto estimulante sobre la división celular . [25]
En la década de 1970, Fritz-Albert Popp y su grupo de investigación en la Universidad de Marburg ( Alemania ) demostraron que la distribución espectral de la emisión caía en un amplio rango de longitudes de onda, de 200 a 750 nm. [26] El trabajo de Popp sobre las propiedades estadísticas de la emisión de biofotones, es decir, las afirmaciones sobre su coherencia, fue criticado por falta de rigor científico. [2]
Un mecanismo de biofotón se centra en las células lesionadas que se encuentran bajo niveles más altos de estrés oxidativo , que es una fuente de luz y puede considerarse que constituye una "señal de angustia" o un proceso químico de fondo, pero este mecanismo aún no se ha demostrado. [ cita requerida ] La dificultad de desentrañar los efectos de los supuestos biofotones en medio de las otras numerosas interacciones químicas entre las células hace que sea difícil idear una hipótesis comprobable. Un artículo de revisión de 2010 analiza varias teorías publicadas sobre este tipo de señalización. [27]
La hipótesis de la comunicación celular por biofotones fue muy criticada por no explicar cómo podían las células detectar señales fotónicas varios órdenes de magnitud más débiles que la iluminación de fondo natural. [28]
Ver también
- Quimioluminiscencia
- Luminóforo
- Fosforescencia
Referencias
- ↑ a b Popp FA (mayo de 2003). "Propiedades de los biofotones y sus implicaciones teóricas" . Revista India de Biología Experimental . 41 (5): 391–402. PMID 15244259 .
- ^ a b Cifra M, Brouder C, Nerudová M, Kučera O (2015). "Biofotones, coherencia y estadísticas de fotoconteo: una revisión crítica". Diario de luminiscencia . 164 : 38–51. arXiv : 1502.07316 . Código Bibliográfico : 2015JLum..164 ... 38C . doi : 10.1016 / j.jlumin.2015.03.020 . S2CID 97425113 .
- ^ Takeda M, Kobayashi M, Takayama M, Suzuki S, Ishida T, Ohnuki K, et al. (Agosto de 2004). "La detección de biofotones como técnica novedosa para la formación de imágenes del cáncer". Ciencia del cáncer . 95 (8): 656–61. doi : 10.1111 / j.1349-7006.2004.tb03325.x . PMID 15298728 . S2CID 21875229 .
- ^ Rastogi A, Pospísil P (agosto de 2010). "Emisión de fotones ultra débiles como herramienta no invasiva para el seguimiento de procesos oxidativos en las células epidérmicas de la piel humana: estudio comparativo en el dorso y el lado de la palma de la mano". Investigación y tecnología de la piel . 16 (3): 365–70. doi : 10.1111 / j.1600-0846.2010.00442.x . PMID 20637006 . S2CID 24243914 .
- ^ Niggli HJ (mayo de 1993). "La irradiación artificial de la luz solar induce la emisión de fotones ultra débiles en los fibroblastos de la piel humana". Revista de Fotoquímica y Fotobiología. B, biología . 18 (2–3): 281–5. doi : 10.1016 / 1011-1344 (93) 80076-L . PMID 8350193 .
- ^ Bajpai R (2009). "Biofotones: una pista para desentrañar el misterio de la" vida " ". En Meyer-Rochow VB (ed.). Bioluminiscencia en foco: una colección de ensayos esclarecedores . 1 . Kerala, India: Poste indicador de investigación. págs. 357–385. ISBN 9788130803579. OCLC 497860307 .
- ^ Zarkeshian P, Kumar S, Tuszynski J, Barclay P, Simon C (marzo de 2018). "¿Hay canales de comunicación óptica en el cerebro?". Frontiers in Bioscience (Landmark Edition) . 23 (8): 1407-1421. arXiv : 1708.08887 . doi : 10.2741 / 4652 . PMID 29293442 . S2CID 29847303 . Resumen de Lay - MIT Technology Review .
- ^ Beloussov LV, Opitz JM, Gilbert SF (diciembre de 1997). "Vida de Alexander G. Gurwitsch y su relevante contribución a la teoría de campos morfogenéticos" . La Revista Internacional de Biología del Desarrollo . 41 (6): 771–7, comentario 778-9. PMID 9449452 .
- ^ Bennett M, Mehta M, Grant M (febrero de 2005). "Imágenes de biofotones: un método no destructivo para analizar las respuestas del gen R" . Interacciones moleculares planta-microbio . 18 (2): 95–102. doi : 10.1094 / MPMI-18-0095 . PMID 15720077 .
- ^ Takeda M, Kobayashi M, Takayama M, Suzuki S, Ishida T, Ohnuki K, et al. (Agosto de 2004). "La detección de biofotones como técnica novedosa para la formación de imágenes del cáncer". Ciencia del cáncer . 95 (8): 656–61. doi : 10.1111 / j.1349-7006.2004.tb03325.x . PMID 15298728 . S2CID 21875229 .
- ^ Yirka B (mayo de 2012). "La investigación sugiere que las células se comunican a través de biofotones" . Consultado el 26 de enero de 2016 .
- ^ Kobayashi M, Kikuchi D, Okamura H (julio de 2009). "Imágenes de la emisión de fotones espontáneos ultra débiles del cuerpo humano que muestra el ritmo diurno" . PLOS ONE . 4 (7): e6256. Código Bibliográfico : 2009PLoSO ... 4.6256K . doi : 10.1371 / journal.pone.0006256 . PMC 2707605 . PMID 19606225 .
- ^ Dotta BT, Saroka KS, Persinger MA (abril de 2012). "El aumento de la emisión de fotones de la cabeza mientras se imagina luz en la oscuridad se correlaciona con cambios en el poder electroencefalográfico: apoyo a la hipótesis del biofotón de Bókkon". Cartas de neurociencia . 513 (2): 151–4. doi : 10.1016 / j.neulet.2012.02.021 . PMID 22343311 . S2CID 207135123 .
- ^ Se une a WT, Baumann SB, Kruth JG (2012). "Emisión electromagnética de humanos durante la intención enfocada". Revista de Parapsicología . 76 (2): 275-294.
- ^ Khaoua I, Graciani G, Kim A, Amblard F (febrero de 2021). "Optimización de la detección para la detección de flujos de luz ultra débiles con un EM-CCD como matriz de contador de fotones binarios" . Informes científicos . 11 (1): 3530. Código Bibliográfico : 2021NatSR..11.3530K . doi : 10.1038 / s41598-021-82611-8 . PMC 7878522 . PMID 33574351 .
- ^ Khaoua I, Graciani G, Kim A, Amblard F (mayo de 2021). "La concentración de luz estocástica de 3D a 2D revela quimioluminiscencia y bioluminiscencia ultra débiles" . Informes científicos . 11 (1): 10050. Código Bibliográfico : 2021NatSR..1110050K . doi : 10.1038 / s41598-021-88091-0 . PMC 8113247 . PMID 33976267 .
- ^ Cilento G, Adam W (julio de 1995). "De los radicales libres a las especies excitadas electrónicamente". Biología y Medicina de Radicales Libres . 19 (1): 103-14. doi : 10.1016 / 0891-5849 (95) 00002-F . PMID 7635351 .
- ^ Ursini F, Barsacchi R, Pelosi G, Benassi A (julio de 1989). "Estrés oxidativo en el corazón de rata, estudios sobre quimioluminiscencia de bajo nivel". Revista de bioluminiscencia y quimioluminiscencia . 4 (1): 241–4. doi : 10.1002 / bio.1170040134 . PMID 2801215 .
- ^ Kataoka Y, Cui Y, Yamagata A, Niigaki M, Hirohata T, Oishi N, Watanabe Y (julio de 2001). "La oxidación del tejido neural dependiente de la actividad emite fotones ultra débiles intrínsecos". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 285 (4): 1007-11. doi : 10.1006 / bbrc.2001.5285 . PMID 11467852 .
- ^ Boveris A, Cadenas E, Reiter R, Filipkowski M, Nakase Y, Chance B (enero de 1980). "Quimioluminiscencia de órganos: ensayo no invasivo para reacciones de radicales oxidativos" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 77 (1): 347–51. Código Bibliográfico : 1980PNAS ... 77..347B . doi : 10.1073 / pnas.77.1.347 . PMC 348267 . PMID 6928628 .
- ^ Bennett M, Mehta M, Grant M (febrero de 2005). "Imágenes de biofotones: un método no destructivo para analizar las respuestas del gen R" . Interacciones moleculares planta-microbio . 18 (2): 95–102. doi : 10.1094 / MPMI-18-0095 . PMID 15720077 .
- ^ Iniguez AL, Dong Y, Carter HD, Ahmer BM, Stone JM, Triplett EW (febrero de 2005). "Regulación de la colonización bacteriana endofítica entérica por defensas vegetales" . Interacciones moleculares planta-microbio . 18 (2): 169–78. doi : 10.1094 / MPMI-18-0169 . PMID 15720086 .
- ^ Kobayashi M, Sasaki K, Enomoto M, Ehara Y (2006). "Determinación altamente sensible de la generación transitoria de biofotones durante la respuesta hipersensible al virus del mosaico del pepino en el caupí" . Revista de botánica experimental . 58 (3): 465–72. doi : 10.1093 / jxb / erl215 . PMID 17158510 .
- ^ Kobayashi K, Okabe H, Kawano S, Hidaka Y, Hara K (2014). "Emisión de biofotones inducida por choque térmico" . PLOS ONE . 9 (8): e105700. Código bibliográfico : 2014PLoSO ... 9j5700K . doi : 10.1371 / journal.pone.0105700 . PMC 4143285 . PMID 25153902 .
- ^ Gurwitsch AA (julio de 1988). "Una revisión histórica del problema de la radiación mitogenética". Experientia . 44 (7): 545–50. doi : 10.1007 / bf01953301 . PMID 3294029 . S2CID 10930945 .
- ^ Wijk RV, Wijk EP (abril de 2005). "Introducción a la emisión de biofotones humanos". Forschende Komplementärmedizin und klassische Naturheilkunde . 12 (2): 77–83. doi : 10.1159 / 000083763 . PMID 15947465 . S2CID 25794113 .
- ^ Cifra M, Fields JZ, Farhadi A (mayo de 2011). "Interacciones celulares electromagnéticas". Avances en Biofísica y Biología Molecular . 105 (3): 223–46. doi : 10.1016 / j.pbiomolbio.2010.07.003 . PMID 20674588 .
- ^ Kučera O, Cifra M (noviembre de 2013). "Señalización de célula a célula a través de la luz: ¿sólo un fantasma de la casualidad?" . Comunicación y señalización celular . 11 (87): 87. doi : 10.1186 / 1478-811X-11-87 . PMC 3832222 . PMID 24219796 .
Otras lecturas
- Beloussov LV, Voeikov VL, Martynyuk VS (2007). Biofotónica y sistemas coherentes en biología . Nueva York, NY: Springer. ISBN 978-0387-28378-4.
- Hyland GJ (diciembre de 1998). "Bioefectos no térmicos inducidos por irradiación de microondas de baja intensidad de sistemas vivos". Revista de Ciencias de la Ingeniería y Educación . 7 (6): 261–9. doi : 10.1049 / esej: 19980606 . Resumen de Lay - Photonics Technology World .
- Kühnert H. "Wirkungsweise der Biophotonen" [Cómo funcionan los biofotones] (en alemán).
- Popp FA, Li KH, Gu Q (1992). Avances recientes en la investigación de biofotones y sus aplicaciones . Singapur: World Scientific. ISBN 978-981-02-0855-4. Archivado desde el original el 20 de febrero de 2009.
- Tilbury RN, Gregg DJ, Percival JM (1997). Quimioluminiscencia ultra débil del plasma sanguíneo humano . I Jornada de Internet sobre fotoquímica y fotobiología.
enlaces externos
- Bischof M. "Bibliografía sobre investigación de biofotones y temas relacionados" . Instituto Internacional de Biofísica . Archivado desde el original el 25 de enero de 2010.
- Hyland GJ. "Fundamentos de la coherencia en biología" . Biophotonik . Archivado desde el original el 19 de mayo de 2004.