Большая советсткая энциклопедия Фотобиология

Фотобиология

Фотобиология, раздел биологии, изучающий процессы, протекающие в организмах под действием видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излучения. Влияние света на рост, развитие и многообразные функции организмов известно с древнейших времён. Начало Ф. было положено в 18–19 вв. открытием фотосинтеза (англ. химик Дж. Пристли, голландский учёный Я. Ингенхауз, швейц. исследователь Ж. Сенебье), разработкой основ теории цветового зрения (Г. Гельмгольц), описанием фототаксиса и др. Однако как самостоятельное научное направление Ф. сформировалась лишь во 2-й половине 20 в. благодаря развитию квантовой теории излучения, которая составляет физическую основу Ф., а также прогрессу в биохимии, биофизике, физиологии и внедрению новых методов исследования (дифференциальная и импульсная спектрофотометрия, измерение люминесценции, методы, основанные на электронном парамагнитном резонансе, и т.д.). Фундаментальные исследования А. Н. Теренина и его школы в области спектроскопии, фотохимии и фотоники сложных молекул стимулировали развитие Ф. в СССР.

Ф. связана практически со всеми сторонами жизнедеятельности растений и животных. В соответствии с функциональной ролью изучаемых явлений можно выделить разделы Ф., изучающие: энергетические процессы, связанные с запасанием солнечной энергии в синтезируемых биологических соединениях (фотосинтез растений); информационные и регуляторные реакции организмов на действие света (зрение животных, фототаксис, фототропизм, фотопериодизм, влияние света на синтез витаминов, пигментов и т.д., фотостимуляция роста и развития, клеточного деления); биологическое действие ультрафиолетового излучения; деструктивные фотопроцессы (фотоденатурация и фотоокисление белков) фотоинактивация ферментов и нуклеиновых кислот, поражение клеток и тканей при ультрафиолетовом облучении, фотодинамическое действие видимого света и его влияние на процессы репарации после повреждения клеток ультрафиолетовым излучением); влияние излучений на эволюционный процесс, зарождение жизни и поддержание экологического равновесия. К объектам изучения Ф. часто относят биолюминесценцию – испускание света организмами в результате преобразования химической энергии в световую. Несмотря на разнообразие перечисленных фотобиологических явлений, их объединяет общность природы начальных фотофизических и фотохимических стадий. Это обусловило развитие направления Ф., изучающего принципы и молекулярные механизмы фотобиологических процессов. К общим проблемам Ф. относятся: выяснение принципов преобразования энергии квантов света в энергию химических связей и в электрический потенциал на биомембранах; сопряжение фотохимических и "темновых" ферментативных стадий в фотобиологических процессах; изучение молекулярной организации фоторецепторов и их функции, выяснение причин высокой эффективности фотобиологических процессов и т.д. Очевидно, что для решения этих проблем необходим переход к субклеточному и молекулярному уровням, чем и обусловлено быстрое развитие молекулярной Ф.

Для осуществления фотобиологических процессов необходимо наличие в организмах пигментов-фоторецепторов, избирательно поглощающих свет и локализованных в специальных клеточных структурах – хлоропластах высших растений, хроматофорах водорослей и бактерий, меланофорах животных клеток, в палочках и колбочках сетчатки глаза. К пигментам-фоторецепторам растений относятся хлорофиллы, их разнообразные аналоги и производные, каротиноиды, фикобилины (в т. ч. фитохром), некоторые коферменты (флавины) и др., к пигментам животных – зрительные пигменты, меланины (наиболее важные). По отношению к ультрафиолетовой области спектра фоторецепторами являются ароматические аминокислоты белков, нуклеиновые кислоты и многие др. биологически активные соединения. Согласно современным представлениям, молекулярный механизм фотобиологических процессов можно представить как чередование следующих стадий: поглощение кванта света фоторецептором с образованием синглетных и триплетных возбуждённых состояний (в некоторых случаях с последующей миграцией энергии электронного возбуждения к активному центру); первые фотохимические или структурные изменения молекул; сопряжение фотохимических и ферментативных стадий, ведущее к конечному физиологическому эффекту.

Ф. служит теоретическим фундаментом повышения продуктивности фотосинтеза с.-х. растений, искусственного культивирования растений, интенсификации развития с.-х. животных, использования излучений в медицинской практике и в борьбе с загрязнением окружающей среды. Исследования в области Ф. тесно связаны с проблемой биологического использования солнечной энергии и созданием искусственных систем на основе принципов фотобиологических явлений (получение водорода при биофотолизе воды и др.). с применением лазерного излучения в биологии и др.

В СССР исследования по Ф. проводятся в научно-исследовательских институтах системы АН СССР (Институт биохимии им. А. Н. Баха, институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева, институт фотосинтеза, институт биофизики), институте фотобиологии АН БССР (Минск), на биологическом факультете МГУ, во 2-м Московском медицинском институте и в ряде др. научно-исследовательских учреждений. Работы по Ф. публикуются в журналах: "Доклады Академии наук СССР" (с 1922), "Биофизика" (с 1956), "Биохимия" (с 1936), "Молекулярная биология" (с 1967) и др. В США издаётся международный журнал "Photochemistry and Photobiology" (с 1962). Учёных, работающих в области Ф., объединяет Международный комитет по Ф. (создан в 1951, с 1955 входит в Международный союз биологических наук), в задачи которого входит развитие фотобиологических исследований и организация Международных конгрессов. Всего состоялось 7 конгрессов: в 1954 (Амстердам), в 1957 (Турин, Италия), в 1960 (Копенгаген), в 1964 (Оксфорд, Великобритания), в 1968 (Хановер, США), в 1972 (Бохум, ФРГ), в 1976 (Рим).

Лит.: Теренин А. Н., Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений, Л., 1967; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология, пер. с англ., М., 1972; Конев С. В., Болотовский И. Д., Фотобиология, Минск, 1974; Красновский А. А., Преобразование энергии света при фотосинтезе. Молекулярные механизмы, М., 1974; Wolken J. J., Photobiology, N. Y., 1968; Photophysiology, v. 1–7, N. Y. – L., 1964–75.

А. А. Красновский, Ф. Ф. Литвин.