Biophotonik
Beschreibung der Wissenschaft Biophotonik
Biophotonik (Biophotonics) ist jene Wissenschaft und Technik, die sich mit der Analyse der Wechselwirkung von Photonen (elektromagnetischen Wellen, die Quantencharakter aufweisen) mit biologischen Systemen befasst und sie nutzt.
Der Begriff wurde in Anlehnung an "Biophotonen" von den beiden Wissenschaftlern Fritz-Albert Popp und Lev Beloussov (Lehrstuhl für Embryologie der Staatsuniversität Moskau, Enkelsohn Alexander Gurtwitsch´s) um 1990 eingeführt, um mit Hilfe moderner technischer Verfahren das Biophotonenfeld in den biologischen Geweben zu beeinflussen und zu analysieren. Wesentliches Instrument war dabei auch die Analyse der "delayed luminescence".
Die neue Technik „Biophotonik"
wird seit gut zwanzig Jahren insbesondere in Japan in der Zusammenarbeit von
Industrie, Universitäten und Staat mit Hunderten von Millionen gefördert.
Hunderte von Patenten stehen zur Anmeldung bereit. Das Japanische Landwirtschaftsministerium
setzt die Methode bereits vielfach ein, so zur Qualitätsanalyse von landwirtschaftlichen
Produkten, der Optimierung von Aufzuchtbedingungen, der Frischhaltung. Der Begriff
„Biophotonik" geht auf die Erfindung des deutschen Biophysikers Fritz-Albert
Popp zurück, der 1976 an der Universität Marburg zusammen mit seinem
Doktoranden Bernhard Ruth eine schwache Lichtemission aus biologischen Systemen
entdeckte. Er wies nach, daß alle lebenden Organismen im sichtbaren Bereich
des Spektrums (mindestens von 200 bis 800 nm) einzelne Photonen mit einer Gesamtintensität
von einigen bis zu etwa hundert Photonen pro Sekunde und pro Quadratzentimeter
Oberfläche des lebenden Systems ständig emittieren. Popp und Ruth
deckten die Eigenschaften auf, die für das Verständnis und die Anwendung
essentiell sind:
Der Spektralverlauf der Biophotonen folgt nicht- wie die Wärmestrahlung
- einer Boltzmann- Statistik (Bose-Einstein-Statistik), sondern einem Kontinuum,
das im zeitlichen Mittel für alle Wellenlängen die gleiche Intensität
aufweist.
Die Wahrscheinlichkeit P(n, D t), eine bestimmte Zahl n von Photonen in einem
vorgegebenen Meßzeitintervall D t zu messen, folgt einer Poissonstatistik
(P(n,D t) = exp(-<n>) <n>n /n!, wobei <n> der Mittelwert der
Photonenzahl im betreffenden Meßzeitintervall bedeutet).
Jede vorher mit Licht angeregte
lebende Probe klingt ungewöhnlich langsam ab, um dann kontinuierlich in
die spontane Biophotonenemission überzugehen. Diese als „verzögerte
Lumineszenz" bei Pflanzen entdeckte Erscheinung - die, wie Popp nachwies,
auch für tierische Zellen zutrifft - zeigt die gleiche Spektralverteilung
und die gleiche Poissonstatistik P(n,D t) wie die „spontane" Biophotonenemission.
Die Intensität nach Anregung klingt nicht nach einer Exponentialfunktion
exp (-g t) ab, mit t als Zeit nach Anregung undg als Abklingkonstante, sondern
nach einer hyperbelartigen Funktion (1/t).
Tote Organismen zeigen weiterhin
charakteristische Eigenschaften der verzögerten Lumineszenz, nämlich
eine breite Spektralverteilung, langes und hyperbelartiges Abklingverhalten
und die Poisson-Statistik der Photonenzählrate. Allerdings ändern
sich beim Übergang vom lebenden zum toten Organismus die Intensitäten
und Abklingzeiten der verzögerten Lumineszenz stark. Tote Organismen strahlen
im Gegensatz zu lebenden allerdings keine Biophotonen („spontane Photonen
ohne äußere Anregung") mehr ab.
Die Wellenlängen sowohl
der verzögerten Lumineszenz als auch der Biophotonen sind untereinander
gekoppelt: Die Intensitäten verschiedener Wellenlängen über dem
gesamten Spektralbereich zeigen das gleiche Abklingverhalten. Sie können
nicht unabhängig voneinander angeregt werden.
Literatur hierzu: B.Ruth und F.A. Popp: Z.Naturforsch. 31c (1976), 741-745.
F.A.Popp: Coherent Photon Storage in Biological Systems. In: F.A.Popp, G.Becker,
H.L.König and W.Peschka (eds.), Electromagnetic Bio-Information. Urban
& Schwarzenberg, München 1979.
F.A.Popp, B.Ruth, W.Bahr, J.Böhm, P.Grass, G.Grolig, M.Rattemeyer, H.G.Schmidt
and P.Wulle: Collective Phenomena (Gordon &Breach) 3 (1981), 187-214.
In einer späteren Arbeiten
belegte der Doktorand M. Rattemeyer die von Popp aufgestellte Hypothese, daß
die DNA die wesentliche Quelle der Biophotonenemission ist.
Rattemeyer, F.A.Popp and W. Nagl: Naturwissenschaften 68 (2981), 572-573.
1993 wiesen Popp und Li nach,
daß die Biophotonen in Übereinstimmung zur Hypothese Popp`s von 1976
kohärent sind.
F.A.Popp and K.H.Li: Int.J.Theor.Phys.32 (1993), 1573-1583.
Heute gibt es weltweit aus renommierten Forschungs- und Universitäts-Instituten
in reputierten Fachzeitschriften Hunderte von Publikationen über Biophotonen.
Die Ergebnisse Popp`s und seiner Mitarbeiter wurden voll bestätigt.