Свет выполняет две важных функции в живых системах:
- энергетическую – обеспечение живых систем энергией от Солнца,
- информационную – обеспечение взаимодействия живых систем с окружающей средой.
По характеру использования энергии света все процессы делятся на:
- эндэргонические – при которых энергия света превращается в энергию химических связей с высоким запасом свободной энергии,
- экзэргонические – при которых большая часть энергии рассеивается в тепло, а часть энергии используется для преодоления активационного барьера.
По значению процессы делятся на:
- физиологические – аккумуляция энергии, реакции синтеза, активного транспорта, фотоинформационные и фоторегуляционные процессы;
- деструктивно-модификационные – повреждение и модификация молекул биологического объекта.
Поглощение света биологическими системами может сопровождаться специфическими фотохимическими реакциями, которые дают начало различным фотобиологическим процессам.
Фотобиологические процессы - процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.
К фотобиологическим процессам относятся:
- фотосинтез - синтез органических молекул за счет энергии солнечного света;
- фототаксис - движение организмов (например, бактерий) к свету или от света;
- фототропизм - поворот листьев (стеблей) растений к свету или от него;
- фотопериодизм - регуляция суточных и годовых циклов животных путем циклических воздействий «свет - темнота»;
- зрение - восприятие света глазом, сопровождающееся превращением световой энергии в энергию нервного импульса; помутнение хрусталика;
- изменения состояния кожи под воздействием света: эритема, эдема, загар, пигментация, ожог, рак кожи.
Все фотобиологические процессы протекают по общей схеме:
- Поглощение света молекулой.
Не все молекулы поглощают свет, поглощается свет не любой длины волны и не всеми атомными группами молекулы. Атомные группы, поглощающие свет определённой длины волны – хромофорные группы. Наиболее хорошо поглощают свет группы с делокализованными π-электронами в длинных цепях сопряжения. Эти электроны могут легко переходить на более высокие энергетические уровни. Процесс релаксации делокализованных электронов наиболее долгий. После поглощения кванта света хромофорная группа переходит на более высокое энергетическое состояние.
- Дезактивация возбуждённого состояния.
Внутримолекулярная инверсия. Молекула может вернуться на более низкий энергетический уровень с излучением теплоты или теплоты и флуоресценции.
Фотохимическая реакция. Уровень энергии возбуждённого состояния превышает энергетический барьер разрыва химических связей, это приводит к протеканию химической реакции.
Миграция энергии и Конформационные превращения. При этом может происходить миграция энергии к другим атомным группам или молекулам, что сопровождается изменениями конформации.
- Проявление специфического фотобиологического эффекта. Например, перенос протона, регуляторный акт, изменение проницаемости мембран, биосинтез.