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バイオフォトン（ギリシャ語のβίος は「生命」、 φῶς は「光」に由来）は、生物系によって生成される紫外線および低可視光線範囲の光子である。バイオフォトンは非熱起源であり、バイオフォトンの放出は技術的には生物発光の一種であるが、「生物発光」という用語は一般に高輝度システム（通常、ルシフェリン/ルシフェラーゼなどの生化学的手段を使用して、肉眼で見える光を放出するシステム）を指すために予約されている。この狭義のバイオフォトンという用語は、光と生物系との一般的な相互作用を研究するより広い分野であるバイオフォトニクスと混同しないようにする必要がある。
生物組織は、通常、10 −17～ 10 −23 W/cm 2 (約 1 ～ 1000 光子/cm 2 /秒)の範囲の可視光線および紫外線の放射を観測します。 [1]この低レベルの光は、生物発光によって生成される可視光線よりもはるかに弱い強度ですが、生物光子は、通常の温度で組織から放出される熱放射の背景よりも検出可能です。 [2]
バイオフォトンの検出はいくつかのグループによって報告されているが[3] [4] [5]、そのようなバイオフォトンが生物組織の状態を示し、ある種の細胞間コミュニケーションを促進するという仮説はまだ調査中である[6] [7] 。バイオフォトンの存在を発見した アレクサンダー・グルヴィッチは、 1941年にその研究によりスターリン賞を受賞した。 [8]
検出と測定
バイオフォトンは、光電子増倍管または超低ノイズCCDカメラで画像を生成することで検出され、植物材料の場合、通常15分の露出時間が使用されます。 [9] [3]光電子増倍管は、魚卵からのバイオフォトンの放出を測定するために使用されており、[10]いくつかのアプリケーションでは、動物や人間のバイオフォトンを測定しています。[11] [ 12] [13]極微弱光の検出に最適化された電子増倍CCD（EM-CCD）[14] は、酵母細胞の成長開始時に生成される生物発光の検出にも使用されています。[15]
生物組織の可視光線および紫外線の周波数における典型的な観測放射率は10 −17～ 10 −23 W/cm 2で、 200 nm ～ 800 nm の範囲で光子数は 1 cm 2あたり数個～約 1000 個です。 [1]
提案された物理的メカニズム
活性酸素種による酸化ストレスや酵素（ペルオキシダーゼ、リポキシゲナーゼなど）による触媒作用による化学励起は、生体分子環境においてよく見られる現象です。[16]このような反応は三重項励起種の形成につながり、三重項励起種はリン光に似たプロセスで低いエネルギーレベルに戻る際に光子を放出します。このプロセスが自発的なバイオフォトン放出の要因であることは、分析対象の組織から抗酸化物質を枯渇させることでバイオフォトン放出を増加させることができることを示した研究によって示されています。 [17]またはカルボニル誘導体化剤を添加することでバイオフォトン放出を増加させることができることを実証した研究によって示されています。 [18]活性酸素種の添加によって放出が増加する可能性があることを示す研究によってさらに裏付けられています。[19]
植物
葉からのバイオフォトンの画像化は、R遺伝子の反応を分析する方法として使用されています。[9]これらの遺伝子とそれに関連するタンパク質は、病原体の認識と防御シグナル伝達ネットワークの活性化に関与し、過敏反応を引き起こします。 [20]これは、植物が病原体感染に抵抗するメカニズムの1つです。これには、シグナル伝達に重要な役割を果たしたり、細胞死につながる毒性物質として作用したりする活性酸素種（ROS）の生成が関与しています。[21]
バイオフォトンはストレスを受けた植物の根でも観察されています。健康な細胞では、生物学的抗酸化物質のシステムによってROSの濃度は最小限に抑えられています。しかし、熱ショックやその他のストレスは酸化ストレスと抗酸化活性のバランスを変えます。例えば、温度の急激な上昇はROSによるバイオフォトンの放出を引き起こします。[22]
細胞間コミュニケーションへの関与の仮説
1920年代、ロシアの発生学者アレクサンダー・グルヴィッチは、生体組織から紫外線領域のスペクトルで「極微弱」光子が放出されることを報告した。彼は実験により、この光子が細胞分裂を刺激する効果があると確信したため、この光を「分裂促進光線」と名付けた。[23]
1970年代に、フリッツ・アルベルト・ポップとマールブルク大学（ドイツ）の研究グループは、発光のスペクトル分布が200～750nmの広い波長範囲に及ぶことを示しました。[24] ポップのバイオフォトン発光の統計的特性に関する研究、特にそのコヒーレンスに関する主張は、科学的厳密さに欠けると批判されました。[2]
バイオフォトンのメカニズムの 1 つは、光の 1 つの発生源である高レベルの酸化ストレス下にある損傷細胞に焦点を当てており、「苦痛信号」または背景の化学プロセスを構成すると見なすことができますが、このメカニズムはまだ実証されていません。 [要出典]細胞間の他の多数の化学的相互作用の中で想定されるバイオフォトンの効果を解明することは困難であるため、検証可能な仮説を立てることは困難です。2010 年のレビュー記事では、この種のシグナル伝達に関するさまざまな公開された理論について説明しています。[25]
バイオフォトンによる細胞間コミュニケーションの仮説は、細胞が自然の背景照明よりも数桁弱い光信号をどのように検出できるかを説明できないとして、非常に批判された。[26]
参照
参考文献
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さらに読む
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外部リンク
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- Hyland GJ. 「生物学における一貫性の基礎」。Biophotonik。2004年5月 19 日のオリジナルからアーカイブ。