Biophotonen

In der Biophysik und Alternativmedizin wird von wenigen Autoren der Begriff „Biophotonen“ (gr. βίος Leben, gr. φως Licht) für diejenigen Lichtquanten verwendet, die ein Teil der ultraschwachen Photonenemission (UPE) biologischer Herkunft sind. Die hier gemeinte Strahlung unterscheidet sich von der Biolumineszenz durch ihre um mehrere Größenordnungen geringere Intensität und durch ihre sehr geringe Quantenausbeute.

Geschichte

In den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts gelangte der russische Biologe Alexander Gurwitsch nach Experimenten mit keimenden Zwiebeln zu der Auffassung, dass lebende Zellen eine sehr schwache Lichtstrahlung abgeben. Er nannte sie „mitogenetische Strahlung“, und zwar aufgrund seiner Vermutung, dass diese Strahlung die Zellteilung (Mitose) auslösen könne. Wegen der aufkommenden Biochemie, die Zellprozesse als Folgen von biochemischen Signalketten beschreibt, wurde diese Vermutung nicht weiter untersucht.

Verschiedene experimentelle Hinweise auf eine ultraschwache Photonenemission von biologischen Systemen blieben in der Folgezeit weitgehend unbeachtet. Die Quelle dieser „dunklen Lumineszenz“ wurde, soweit man die Existenz überhaupt anerkannte, auf spontane Unvollkommenheiten des Zellstoffwechsels (z. B. Oxidations- und Radikalreaktionen) zurückgeführt. Eine biologische Bedeutung wurde bezweifelt. Hauptwidersacher von Gurwitschs Thesen war der Biochemiker Alexander Holländer. Er und andere Wissenschaftler waren der Meinung, dass die Entdeckung solange zweifelhaft bliebe, bis die Strahlung objektiv gemessen sei.

1954 gelang es den italienischen Astronomen L. Colli, U. Facchini u. a., die Lichtemission von Pflanzenzellen direkt zu messen, indem sie einen Photonenverstärker verwendeten, den sie zur Beobachtung weit entfernter Sterne gebaut hatten. Als sie diesen auf Blätter, Weizen-, Mais- und Bohnenkeime richteten, entdeckten sie eine schwache, ungefähr konstante Emission von Photonen. Spätestens mit den Messungen von Terence Quickenden 1967 an der Universität von West-Australien gilt die schwache spontane Lichtaussendung von Zellen als etablierter Fakt.^[1] In der Folgezeit wurde von einzelnen Wissenschaftlern die Hypothese aufgestellt, dass Körperzellen über ihre elektromagnetische Strahlung untereinander Signale austauschen – ohne Umweg über chemische Botenstoffe.

In den 70er-Jahren wiesen mehrere Wissenschaftler erneut Photonenstrahlung aus biologischem Gewebe nach, unter anderem der deutsche Physiker Fritz-Albert Popp, der zunächst an der Universität Marburg arbeitete, bald aber ein neues Institut für seine Forschungen gründete. Um eine Verwechslung mit der z. B. von Leuchtkäfern bekannten und offen sichtbaren Biolumineszenz auszuschließen, nannte er die ultraschwache biologische Strahlung „Emission von Biophotonen“. Popp vermaß das Spektrum dieser Strahlung und fand Wellenlängen zwischen 200 und 800 nm mit einer kontinuierlichen Verteilung, also ungefähr im Bereich des sichtbaren Lichts (380 bis 710 nm). Allerdings betrugen die gemessenen Intensitäten nur wenige bis einige hundert Quanten pro Sekunde und pro Quadratzentimeter Oberfläche. Popp vermutete, dass diese schwache Strahlung trotzdem, wie bei Laserlicht, kohärent ist. Wegen der extrem geringen Wahrscheinlichkeit einer Photonenemission pro Zelle, nämlich typischerweise weniger als ein Photon pro Monat, vergehen durchschnittlich mehr als 100 Jahre bis zur erneuten Emission eines Photons gleicher Wellenlänge, wodurch der direkte Nachweis der Kohärenz mittels Wellenüberlagerung unmöglich ist.

Zur Hypothese der Kohärenz liegen bislang theoretische und experimentelle Studien vor.^[2][3][4] Die in diesen Artikeln vorgestellten Theorien und Messungen liefern nach Ansicht der meisten Wissenschaftler keinerlei schlüssige Hinweise oder gar Beweise für eine tatsächliche Kohärenz der ausgesandten Strahlung, was der Forschungsgruppe um Popp viel Kritik einbrachte.

Zusammen mit einer Gruppe von Wissenschaftlern, unter anderem aus ausländischen staatlichen Universitäten und Forschungsinstituten, erforschen heute Popp und Kollegen im Internationalen Institut für Biophysik (IIB) bei Neuss nicht nur die Eigenschaften der Strahlung, sondern gehen unter Einschluss der äußeren Anregung mit Lasern und anderen Lichtquellen der so genannten „verzögerten Lumineszenz“, („delayed luminescence“) und damit verbundenen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten nach. Unter diesen Wissenschaftlern befindet sich Lew Beloussow, ein Enkel Alexander Gurwitschs, der an der Moskauer Staatsuniversität einen Lehrstuhl für Embryologie hat.

Allgemein bildet die Untersuchung schwacher, von Lebewesen oder biologischem Material ausgesandter elektromagnetischer Strahlung einen Teilbereich der Biophotonik. Dieser Begriff beschreibt im heutigen Sprachgebrauch ganz allgemein die Verbindung von Biologie und Photonik, also unter anderem alle Arten von medizinischen Untersuchungs- und Heilungsmethoden und Bildgebungsverfahren auf optischer Basis.

Interpretation

Alle Objekte, ob biologisch oder nicht, emittieren Wärmestrahlung, abhängig von ihrer Temperatur. Diese Strahlung wurde bei den oben erwähnten Messungen berücksichtigt und subtrahiert. Da die betrachteten Zellen keine speziellen Leuchtstoffe (Luciferine o. Ä.) beinhalten, gehört die untersuchte Strahlung nicht zur klassischen Biolumineszenz, die ein Vielfaches intensiver als die gemessene „Biophotonenstrahlung“ ist.

Die schwache, über die Schwarzkörperstrahlung hinausgehende Emission (deren Intensität in etwa der einer Kerze auf 20 km Entfernung gleichkommt) wird möglicherweise vom Zustand der Zellen mitbestimmt. Nach vorherrschender Meinung beruht die Strahlung auf den bekannten chemischen Reaktionen im Rahmen des Stoffwechsels, z. B. dem Verbrennen von Nährstoffen, und der dabei entstehenden Prozesswärme. Gegenstand der kontroversen Diskussion ist, ob Lichtquanten in Zellen stehende Wellen ausbilden können, die in Wechselwirkung mit den Zellorganellen treten, um Stoffwechselfunktionen zu beeinflussen. Kritiker bezeichnen Photonen als Elementarteilchen, die keine unterschiedlichen spezifischen biologischen Funktionen erfüllen können. Letzteres erscheint Befürwortern der Theorie von Biophotonen eher unwahrscheinlich, weil Licht großen Einfluss auf den Stoffwechsel von Zellen hat, insbesondere bei Chlorophyll-haltigen Pflanzen. Die Frage nach der Ursache und Wirkungsweise der Regulations- und Kommunikationsvorgänge in den Zellen gilt als noch nicht ausreichend geklärt.

Anwendung

Die Gruppe von Popp arbeitet an Verfahren für die Anwendung ihrer Lehre in der Qualitätsanalyse von Lebensmitteln, bei der Beobachtung von Umwelteinflüssen, in der Bio-Indikation, in der Analyse von Unterschieden in Geweben (zum Beispiel zwischen gesunden und Tumorgeweben), in den Bemühungen um ein tieferes Verständnis von Krankheiten. Die Gruppe versteht ihre Tätigkeit als ganzheitlichen Ansatz zur Erklärung biologischer Phänomene lebender Systeme, insbesondere der Kommunikations- und Regulationsvorgänge in Zellen und Zellpopulationen – wie Wachstum und Differenzierung, einschließlich physikalischer Fragen zum Verständnis des Bewusstseins. An der Universität Catania arbeitet man gerade daran neue Technologien zu entwickeln, die Delayed Luminescence Messungen zur Hautkrebsdiagnostik einsetzbar machen sollen. Bei in vitro Versuchen gelang die Unterscheidung zwischen Fibroblasten und Melanomzellen mit 99,9% Signifikanz mittels geeigneter mathematischer Analyse des zeitlichen Verlaufs des spektral aufgelösten Meßsignals.^[5]

Es ist noch unklar, inwieweit Messungen von Biophotonen zur Lebensmittelanalyse geeignet sind und welche Aussagekraft die Messergebnisse haben. Es sind jedoch bereits Geräte patentiert und könnten in wenigen Jahren für Verbraucher verfügbar sein, die eine Qualitätsanalyse vor dem Kauf z. B. im Supermarkt ermöglichen sollen.^[6]

Kritik

Die Ansicht der Vertreter der Theorie, dass diesem Phänomen eine physiologische Bedeutung zukommt, ist in der Biologie bisher auf wenig Resonanz gestoßen, im Gegensatz zur Esoterik und Teilen der Alternativmedizin.

Physikalisch kann die Strahlung mittels hochempfindlicher Photonendetektoren nachgewiesen werden. Da diese Messung jeweils nur die abgestrahlten Photonen erfassen kann, ist der Rückschluss auf die in den Zellen herrschenden Strahlungsverhältnisse nicht direkt möglich. Kritiker dieser Theorie weisen darauf hin, dass insbesondere die postulierte Kohärenz der Photonen nicht nachweisbar sei.

In den Hypothesen über „Biophotonen“ sehen Kritiker den Versuch einer Wiederbelebung des Vitalismus, eines Konzepts, das in Biologie und Medizin im Laufe des 19. Jahrhunderts aufgegeben worden war. Statt der immateriellen Lebenskräfte des herkömmlichen Vitalismus werde nun ein pseudowissenschaftlicher Neovitalismus propagiert.

Dies erklärt zum einen die Distanz der etablierten biologischen und medizinischen Wissenschaft zu Forschungen über Biophotonen, zum anderen aber auch das große Interesse bei einigen Vertretern der Alternativmedizin.

Einzelnachweise

1. ↑ Metcalf, W.S. & Quickenden, T.I. (1967): Mitogenetic radiation. In: Nature. Bd. 216, Nr. 5111, S. 169–170. PMID 4862078 doi:10.1038/216169a0
2. ↑ F. A. Popp & K. H. Li (1993): Hyberbolic Relaxation as a Sufficient Condition of a Fully Coherent Ergodic Field. In: International Journal of Theoretical Physics. Bd. 32, S. 1573–1583.
3. ↑ F. A. Popp & Y. Yan (2002): Delayed luminescence of biological systems in terms of coherent states. In: Physics Letters A. Bd. 293, S. 93–97.
4. ↑ F. A. Popp, J. J. Chang, A. Herzog, Z. Yan & Y. Yan (2002): Evidence of non-classical (squeezed) light in biological systems. In: Physics Letters A. Bd. 293, S. 98–102.
5. ↑ Francesco Musumeci, Giuseppe Privitera, Agata Scordino, Salvatore Tudisco, and Carmine Lo Presti: Discrimination between normal and cancer cells by using spectral analysis of delayed luminescence [1]
6. ↑ Anna Kirberich: Tester für junges Gemüse entwickelt, 05. August 2004

Literatur

• Marco Bischof: Biophotonen: Das Licht in unseren Zellen ISBN 3-86150-095-7
• Fritz-Albert Popp: Die Botschaft der Nahrung. Unsere Lebensmittel in neuer Sicht ISBN 3-596-11459-4
• Fritz-Albert Popp: Biologie des Lichts. Grundlagen der ultraschwachen Zellstrahlung ISBN 3-8263-2692-X
• L.Beloussov and F.A.Popp (eds.): Biophotonics. Proc.Int.Conf.Moscow State University 1994, Bioinform-Services, Russia 1995.
• J.J.Chang, J.Fisch and F.A.Popp (eds.), Biophysics: Biophotonics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London 2003.
• F.A.Popp and L.Beloussov (eds.): Integrative Biophysics: Biophotonics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London 2003.
• X.Shen and R.van Wijk (eds.):Biophotons and Biophotonics. Springer, Berlin-New York, 2004.
• Jan Berndorff: Das Leben leuchtet, in: natur+kosmos 2004, H.7, S. 22–30.

Weblinks

• PHOEBO GROUP (Universität Catania)
• Tilbury, Gregg, Percival, Matich: „Ultraweak Chemiluminescence from Human Blood Plasma“
• http://www.biophotonen-online.de
• International Institute of Biophysics
• Symposium in Print on Biophotons and Alternate Therapies (dedicated to Prof. Fritz-Albert Popp on his 70th birthday) Indian Journal of Experimental Biology
• Interview mit Fritz-Albert Popp z. B. mit Informationen, warum er aus seiner Sicht seinen Lehrstuhl verloren hat