Publication details
Abstracts and keywords
Zjawisko ultrasłabej emisji fotonowej z układów żywych wciąż przykuwa uwagę człowieka ze względu na uniwersalność występowania w przyrodzie jak i stosowane metody pomiarowe, które są całkowicie nieinwazyjne wobec badanego obiektu. Spontaniczne ultrasłabe promieniowanie elektromagnetyczne (niewidoczne gołym okiem) towarzyszy w sposób nieprzerwany materii żywej i odzwierciedla procesy metaboliczne w komórkach, które wiążą się z reakcjami wolnorodnikowymi. W stanie niezaburzonym obiektu żywego stacjonarna ultrasłaba emisja fotonowa odzwierciedla stan równowagi oksydoredukcyjnej komórki, natomiast zmiany natężenia tej emisji oraz tempo tych zmian są skorelowane z odpowiedzią komórek na zadany bodziec z otoczenia. W monografii omówiono techniki pomiarowe ultrasłabej emisji fotonowej metodą zliczania pojedynczych fotonów (Single Photon Counting – SPC) przy użyciu fotopowielacza oraz metodą obrazowania luminescencyjnego za pomocą matrycy CCD uzyskując obrazy przestrzenno-czasowe z obiektów biologicznych (metoda Single Photon Counting Imaging – SPCI). Rozkład spektralny ultrasłabej luminescencji (USL) uzyskano metodą SPC dzięki zastosowaniu filtrów granicznych (cut-off filters). Ultrasłabą spontaniczną emisję fotonową z glonów Characeae (gat. Nitellopsis obtusa), otrzymuje się po dłuższym okresie trwania tzw. luminescencji opóźnionej chlorofilu (3,5–6 h). Rośliny te, znane jako modelowe obiekty w badaniach elektrofizjologicznych, wykazały zależność ultrasłabego promieniowania elektromagnetycznego od okresu wegetacji. Promieniowanie to przejawiało charakter oscylacyjny w 10% badanych próbek. Z rozkładu spektralnego emisji wynika, że głównymi emiterami promieniowania są dimole tlenu singletowego, grupy karbonylowe oraz chlorofil, który mimo wyciemnienia roślin, "świeci” na skutek zaabsorbowania energii od wzbudzonych chemicznie cząsteczek. Do próbek z roślinami, ich substrukturami (wyizolowana cytoplazma, ścianki komórkowe i wyodrębnione chloroplasty) oraz ich frakcjami błonową i rybosomalną dodawano egzogennie antyoksydanty tj. kwas askorbinowy (AsA), -tokoferol i β-karoten. Czynniki te wywoływały, wbrew oczekiwaniom, wzrost ultrasłabej emisji fotonowej wskazując na prooksydacyjny charakter tych związków. Wyjątek stanowiła frakcja rybosomalna, dla której ujawnił się antyoksydacyjny charakter AsA. Rośliny eksponowane na działanie lokalnych anestetyków, tj. prokainy i lignokainy, wykazały wzrost natężenia USL, który występował po okresie około dwóch godzin od podania bioczynnika. Przy temperaturach 30 i 35C pojawiał się oscylacyjny charakter zmian w USL. W czasie trwania opóźnionej luminescencji podany anestetyk powodował obniżanie intensywności "świecenia", co świadczyłoby o antyoksydacyjnym charakterze jego oddziaływania lub udziale jego cząsteczek w procesie dodatkowego wygaszania opóźnionej luminescencji chloroplastów. Wraz ze wzrostem temperatury środowiska roślin Nitellopsis obtusa od 0 do ok. 40C następował także wzrost natężenia USL. Po osiągnięciu temperatury 40C wystąpił spadek USL, a następnie silna „erupcja” promieniowania związana już najprawdopodobniej z procesami nekrotycznymi u roślin. Podczas cyklicznych zmian temperatury od 6 do 36C, natężenie USL roślin zmieniało się w sposób powodujący powstawanie „pętli histerezy”. Przy trzecim cyklu zmian temperatury charakter pętli zanikał, co mogło świadczyć o zaadoptowaniu się badanych roślin do zmiennych warunków temperaturowych w otoczeniu. Dzięki zastosowaniu metody SPCI możliwa była lokalizacja uszkodzeń mechanicznych w komórkach oraz uzyskanie informacji o różnorodności przestrzenno-czasowych odpowiedzi komórek na zadawane bodźce zewnętrzne. W świetle powyższych badań ultrasłaba emisja fotonowa układów żywych może być pomocna w ocenie stanu homeostazy tych obiektów, a w powiązaniu z innymi metodami biochemicznymi i biofizycznymi może pozwolić na wyjaśnienie różnych procesów zachodzących w komórkach.
The phenomenon of ultra-weak photon emission from living systems still attracts attention of people due to the versatility of its occurrence in nature and used measurement methods that are completely non-invasive to the tested object. Spontaneous ultra-weak electromagnetic radiation (invisible to the naked eye) accompanies uninterruptedly to living matter and reflects the cell metabolic processes, which are connected with free-radical reactions. In an undisturbed state of the living object, stationary ultra-weak photon emission reflects the redox balance of the cell, while the changes in the intensity of the emission and the pace of those changes are correlated with the response of the cells to the stimulus given from surrounding. The monograph discusses the measurement techniques of ultra-weak photon emission with Single Photon Counting (SPC) using a photomultiplier and luminescence imaging method with CCD matrix, obtaining space-time images out of biological objects (Single Photon Counting Imaging method – SPCI). Spectral distribution of ultra-weak luminescence (UWL) was obtained with the SPC method thanks to using cut-off filters. Spontaneous ultra-weak photon emission out of Characeae algae (genus: Nittellopsis obtusa) is obtained after longer so-called delayed luminescence of chlorophyll (3.5–6h). These plants, known as model objects in electrophysiological researches, showed a correlation of ultra-weak electromagnetic radiation with the vegetation period. The radiation manifested its oscillating nature in 10 percent of the samples tested. Spectral distribution shows that the major emitters of the radiation are singlet oxygen dimols, carbonyl groups and chlorophyll that, in spite of maintaining the plants in darkness, glow by absorbing the energy of chemically exited molecules. Some antioxidants, i.e. ascorbic acid (AsA), -tocopherol and β-carotene were added exogenously to the samples with plants and with their subcultures (isolated cytoplasm, cell walls and isolated chloroplasts) and also membrane and ribosomal fractions. The factors caused, contrary to expectations, the increase of ultra-weak photon emission showing pro-oxidative character of these compounds. The exception was ribosomal fraction in which antioxidant AsA character was revealed. The plants exposed to local anaesthetics, i.e. procaine and lignocaine showed the increase of concentration of UWL that appeared in about 2 hours since the bioagent was given. In the temperatures of 30 i 35C there appeared oscillatory nature of the changes of UWL. During the delayed luminescence, the given anaesthetic caused a reduction in intensity of glowing which reflects antioxidant capacity of its impact or the involvement of its molecules in the additional quenching the delayed luminescence of chloroplasts. The increase of the temperature of the environment with Nitellopsis obtusa plants from 0 to about 40C was followed by the increase in the intensity of UWL. After reaching the temperature of 40C, there was UWL decrease, and then a strong "eruption" of radiation, probably connected with necrotic processes of the plant cells. During the cyclic temperature changes from 6 to 36C, UWL intensity of the plants changed causing the formation of hysteresis loop. At the third series of temperature changes the formation of the loop disappeared, which could indicate the adaptation of the plants to variable temperature conditions in the environment. Thanks to the use of SPCI method, it was possible to localize mechanical damages in cells, and obtaining the information about the diversity of space-time response of the cells to inflicted external stimuli. In the light of the above findings ultra-weak photon emission of living systems may be helpful in assessing the state of homoeostasis of those objects, and in the connection with other biochemical and biophysical methods, it may allow to explain various processes in cells.
