Взаимодействие света с биологическими объектами

Физические механизмы взаимодействия света с биологическими объектами

Одним из ключевых механизмов взаимодействия света с биологическими системами является поглощение фотонов биомолекулами. Этот процесс лежит в основе фотохимических реакций, фототерапии, фотобиомодуляции и многих сенсорных функций организмов.

Фотон, обладая определённой энергией E = hν, может быть поглощён хромофором — молекулой, способной переходить в возбуждённое состояние. Такие молекулы включают:

порфирины (например, гем),
ретиналь (в составе родопсина),
хлорофилл в растениях,
флавины, птеридины, ароматические аминокислоты (тирозин, триптофан).

Поглощение света сопровождается переходом электрона на более высокий энергетический уровень. В биомолекулах этот процесс происходит на фоне тепловых колебаний, поэтому наблюдается не резонансное, а широкополосное поглощение.

Закон Бугера–Ламберта–Бера описывает зависимость интенсивности света от концентрации поглощающего вещества:

I = I₀e^−εcl

где I — прошедшая интенсивность, I₀ — начальная, ε — молярный коэффициент экстинкции, c — концентрация, l — длина пути.

Флуоресценция и фосфоресценция биомолекул

Флуоресценция — это испускание света молекулой, возвращающейся из возбуждённого синглетного состояния S₁ в основное S₀. В биофизике данный механизм используется для меток и зондов (флуорофоров), отслеживания концентраций ионов (например, Ca²⁺), мониторинга pH и др.

Флуоресцентные методы основаны на высокой чувствительности и селективности. Важнейшие параметры:

квантовый выход — отношение испущенных фотонов к поглощённым,
время жизни флуоресценции — показатель кинетики возврата в основное состояние.

Фосфоресценция — более редкое явление, возникающее при переходе из триплетного состояния T₁, сопровождается значительной задержкой испускания. В биологических объектах проявляется слабо из-за быстрого тушения триплетных состояний молекулами кислорода.

Рассеяние света: упругое и неупругое взаимодействие

Рассеяние света — это процесс изменения направления распространения фотонов при взаимодействии с биологическими структурами:

упругое (рэлеевское) рассеяние — частота не изменяется, наблюдается на мелких неоднородностях (органеллы, белки, коллаген),
ми-рассеяние — при соизмеримости длины волны и размеров частиц, характерно для клеток, органоидов, бактерий,
неупругое (рамановское) рассеяние — сопровождается изменением частоты, даёт спектроскопическую информацию о колебательных уровнях молекул.

Рамановская спектроскопия применяется для анализа состава клеток, тканей, определения метаболитов, мониторинга лекарственного воздействия без меток.

Интерференция и дифракция в биологических системах

Биологические ткани — это сложные оптические среды, содержащие множество интерфейсов с различной преломляющей способностью. Это приводит к интерференционным и дифракционным эффектам, особенно в микро- и наноструктурах:

иризация насекомых и птиц обусловлена интерференцией в многослойных структурах,
дифракционные решётки встречаются в поверхностной морфологии чешуек, крыльев, сетчатки.

Методы когерентной томографии (ОКТ) используют интерференционные принципы для получения изображений с высокой разрешающей способностью в тканях глаза, кожи, сосудов.

Преломление и отражение: границы биологических сред

На границах между средами с различными показателями преломления (n), как, например, между внутриклеточной жидкостью и мембраной, происходит преломление и частичное отражение света, описываемое законом Снеллиуса:

n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂

Отражение описывается уравнениями Френеля. Эти процессы важны для формирования изображений в оптической микроскопии, а также для методов визуализации, основанных на измерении отражённого сигнала.

Биофотонное излучение и спонтанная эмиссия

Ультраслабое биофотонное излучение — феномен, при котором живые организмы излучают фотоны в видимом и ближнем УФ диапазоне без внешней стимуляции. Интенсивность излучения очень мала (единицы фотонов/см²·с), но оно связано с метаболическими процессами, в частности с:

перекисным окислением липидов,
возбуждёнными состояниями продуктов реакций окисления (например, триплетного кетона),
хемилюминесценцией.

Это направление используется в неинвазивной диагностике и мониторинге жизнедеятельности клеток.

Фотоиндуцированные процессы: фотохимия и фотобиология

Свет может инициировать необратимые фотохимические процессы, изменяя структуру биомолекул. Примеры:

фотореакции в фотосинтезе (фотолиз воды в фотосистеме II),
изомеризация ретиналя в зрительном цикле,
фотодеструкция ДНК под действием УФ-излучения (формирование димеров тимина),
светозависимая активация ферментов, например, фоторецепторов криптохромов.

Многие из этих реакций носят квантовый характер, и биофизическая задача — определить квантовую эффективность и кинетику реакций.

Светопоглощение и температурные эффекты

Поглощение света сопровождается превращением энергии фотона в тепловую, что имеет значение при лазерной терапии и фоторазогреве тканей. Нагрев может быть:

локальным — при фокусировке лазера (например, абляция, коагуляция),
распределённым — при длительном низкоинтенсивном облучении.

Для оценки нагрева используют уравнение теплопереноса и параметры теплоёмкости, теплопроводности ткани, а также коэффициенты поглощения света.

Фотоакустический эффект

При поглощении импульсного света в ткани возникает временное расширение, вызывающее акустическую волну. Это явление лежит в основе фотоакустической томографии (ПАТ) — гибридного метода, сочетающего оптическую контрастность с ультразвуковым пространственным разрешением.

Параметры сигнала ПАТ зависят от:

коэффициента поглощения хромофоров,
механических свойств среды (модуля упругости),
времени релаксации теплового расширения.

Нелинейные оптические эффекты в биологических системах

При высоких интенсивностях света в биологических тканях наблюдаются нелинейные явления, такие как:

двухфотонное возбуждение — основа двухфотонной микроскопии, позволяющей проникать на глубину до 1 мм,
самофокусировка и филаментация — важны при облучении сверхкороткими лазерными импульсами,
гармоническое поколение (вторая и третья гармоники) — используются для визуализации коллагена, миозина и других упорядоченных структур.

Эти методы позволяют получать трёхмерные изображения с высокой резкостью и минимальной фототоксичностью.

Свет как сигнальный агент: фоторецепция

Биологические системы используют свет не только как источник энергии, но и как информационный сигнал. В фоторецепции участвуют специализированные белки — опсины, содержащие хромофор, чувствительный к свету.

Примеры:

палочки и колбочки сетчатки позвоночных — восприятие видимого спектра,
фоторецепторы растений (фитохромы, криптохромы) — регуляция роста и циркадных ритмов,
сенсорные белки бактерий (бактериородопсины, каналородопсины) — генерация потенциала, движение.

Светоиндуцированные конформационные изменения в опсинах запускают каскады внутриклеточной сигнализации, включая активацию G-белков, изменения ионной проницаемости, экспрессию генов.