Всяка клетка в тялото ни свети: Тази светлина може да отключи изключителни прозрения за самия живот

Първия път, когато видях живи клетки да излъчват светлина, осъзнах, че наблюдавам как биологията се изразява по съвсем различен начин. Не чрез молекули, гени или структури, а чрез слаб физически сигнал, носещ неизвестна информация за състоянието на живота, пише Отнироша Дж. Муруган за онлайн изданието Popular Mechanics.

Като млад учен, навлизащ в областта на биофизиката, имах амбициозната цел: да открия скрит модел на комуникация в живите системи, който би могъл да разшири разбирането ни за биологията и потенциално да даде възможност за нови медицински технологии.

Бях докторант, когато за първи път влязох в стая, заобиколена от шест инча медна обшивка, това, което учените наричат Фарадеева камера. Тя беше построена така, че да е възможно най-тъмна. След като вратата се затвореше, външният свят изчезваше. Не можех да видя какво е пред мен, дори собствените си ръце.

Някъде в този мрак имаше съд с живи ракови клетки на кожата . До него имаше фотоумножител, инструмент, достатъчно чувствителен, за да открива светлина, твърде слаба за човешкото око. Тези инструменти могат да улавят изключително слаби светлинни сигнали, такива, които астрономите изучават от далечни звезди на милиони светлинни години разстояние.

Целта ми звучеше измамно проста, но в крайна сметка открих, че е технически трудно: да измеря моделите на светлината, излъчвана от живите клетки, и да попитам дали тези модели се променят, когато клетките са здрави или ракови. По същество, можем ли да създадем оптичен подпис на рака?

Но в този вид експеримент всеки разсеян фотон имаше значение. Малка празнина около кабел, пукнатина в тавана, пропускаща светлина от горния етаж, топъл електронен компонент или дори самият детектор могат да генерират сигнали, които заглушават светлината, излъчвана от живите клетки.

Голяма част от работата не се състоеше в намирането на фотоните, а в доказването, че те наистина идват от живота в антената и от никъде другаде.

Клетките проблясваха, освобождавайки малки светлинни изблици! Не сияние като светулка, нито нещо видимо за мен в стаята, а измерими пикове на светлинна активност, които моят инструмент засече.

Когато най-накрая анализирах данните, светлинните модели от раковите и нераковите клетки бяха достатъчно различни, за да ми подскажат нещо удивително: живите тъкани може да носят оптична информация, която едва започваме да се учим да четем.

Излъчването на биофотони не е прищявка на човешката биология. То е свойство на самия живот, а не характеристика, уникална за който и да е организъм.

В подготовка за докторантурата си, се бях задълбочил в ранните трудове на Александър Гурвич, чиито експерименти преди близо век предполагат, че слабата светлина от един корен лук може да стимулира клетъчното делене в напълно несвързан съседен корен. Гурвич нарече това „митогенетично лъчение“.

През десетилетията малка, но решителна група учени продължи да изследва и потвърждава идеята, че живите клетки наистина излъчват светлина. Днес тези слаби светлинни емисии често се обсъждат като биофотони или ултраслаби фотонни емисии и те остават един от най-завладяващите и предизвикателни открити въпроси в биологията.

Работата на тези учени помогна да се премести областта от въпроса дали живите клетки излъчват светлина към много по-трудните въпроси, които си задаваме днес: Защо животът изобщо излъчва светлина?

Дали тези фотони са просто странични продукти на метаболизма, като топлината от двигател? Или са полезни сигнали, които разкриват стрес, стареене, заболяване или възстановяване? Или в някои случаи клетките използват тези слаби светлинни сигнали като част от начина, по който комуникират?

Честният отговор е, че все още не знаем и точно там съм най-развълнуван да помогна за развитието му.

Изследванията на биофотоните никога не са имали гладка траектория. От ранните наблюдения на Гурвич, областта е започвала и спирала повече пъти, отколкото повечето учени искат да преброят. Тя е преминала през цикли на вълнение и скептицизъм, забавена от трудни измервания, противоречиви открития и инструменти, които често не са били достатъчно чувствителни, за да разрешат най-големите въпроси. Но това се променя. Мистерията как се произвеждат тези фотони и какво биха могли да правят, сега привлича нов интерес с по-добри инструменти за фотонно наблюдение, по-усъвършенствани методи за анализ на сигнали и нови интердисциплинарни перспективи от биофизиката, квантовата биология и невронауката. Заедно те дават нов живот на областта.

Като изключително слаби частици светлина, естествено излъчвани от живите клетки, биофотоните са физически продукти на нормални химични реакции, особено тези, включващи кислород, метаболизъм и митохондрии, малките структури в нашите клетки, които помагат за трансформирането на енергията.

Но не цялата слаба биологична светлина идва от един и същ източник. Едно важно предизвикателство в тази област е разграничаването на истинското ендогенно производство на биофотони – където биофотоните произхождат от организма – от забавената луминесценция, при която биологичният материал абсорбира външна светлина и по-късно отново излъчва част от тази енергия – подобно на това, което светлата кожа отделя, след като е изложена на слънчева светлина. Това разграничение е важно, защото основният въпрос е: какъв вид светлина излъчва животът и при какви условия? И също толкова важно: носят ли тези фотони някакво биологично значение?

За разлика от относително интензивното сияние на светулката, биофотоните са твърде слаби, за да бъдат надеждно възприети от човешкото око. Те често се измерват на приблизително 10 до 1000 фотона в секунда на квадратен сантиметър от биологична тъкан. Дължините на вълните им обикновено попадат в близкия ултравиолетов до видим диапазон, около 200 до 800 нанометра, и изследователите се интересуват от тях, защото интензитетът и дължината на вълната им могат да се променят при стрес, стареене, окисление, растеж, раково състояние и клетъчно увреждане.

Най-важното е, че излъчването на биофотони не е прищявка на човешката биология. То е свойство на самия живот, а не характеристика, уникална за който и да е организъм. В цялото дърво на живота и на всякакъв мащаб живите системи излъчват светлина: Бактериите произвеждат измерими фотонни емисии, свързани с тяхната метаболитна активност. Растенията не само абсорбират слънчева светлина за фотосинтеза; те излъчват собствена светлина, като моделите на излъчване се променят в зависимост от тяхното физиологично състояние.

Може би най-поразителното е, че когато едно животно умре , биофотонното излъчване намалява заедно с него. Светлината отслабва, когато метаболизмът започва да се изключва, което означава, че тези емисии са наистина свързани с енергийните процеси, които определят това да си жив.

Биофотоните не са артефакт или съвпадение. Те са признак на живот в движение.

С разработването на по-добри технологии за улавяне на светлина и анализ на сигнали, вече имаме няколко отговора за това какво представляват тези сигнали. Но все още не разбираме напълно тяхната функционална роля в тялото.

С развитието на кариерата ми, моята собствена лаборатория се фокусира върху това дали тези слаби емисии могат да ни помогнат да разчетем биологични състояния, които иначе са трудни за откриване.

Използвали сме биофотони за скрининг на човешки клетки, тъкани и цели животни за признаци на рак. Измерили сме и ултраслаба светлина около човешката глава и установили, че тя може да корелира с електрическата мозъчна активност и когнитивни задачи, като например обръщане на внимание на звуци.

Това не означава, че мозъкът „мисли със светлина“ по някакъв прост начин. То показва сложно поведение, което трябва да изследваме внимателно. За мен това е по-вълнуващо следствие: живите тъкани може да имат оптичен слой информация, който отразява тяхното енергийно и физиологично състояние.

Ако можем да се научим да разчитаме този слой, медицината би могла да се сдобие с нов вид сензорна технология за диагностика или проследяване на здравето.

Представете си проследяване на ранни промени в метаболизма, преди увреждането на тъканите да стане очевидно, откриване на промени в клетъчната среда, които предизвикват рак, преди конвенционалното изобразяване да може да разкрие тумор, или разчитане на фините мозъчни състояния не само чрез електричество, но и чрез слаба светлина, свързани с невронната активност и потреблението на енергия.

Това бъдеще все още не е тук. Сигналите са твърде слаби и все още са трудни за измерване през влажната, шумна и сложна система, която е нашето тяло. Тези сигнали са също така уязвими към замърсяване от стайна светлина, топлина, шум от инструменти и биологична вариабилност.

Напредъкът ще изисква по-добри сензори, по-силен контрол, внимателно възпроизвеждане и експерименти, които могат да отделят корелацията от причинно-следствената връзка - но ние сме на път да постигнем това.

Някои изследователи излагат идеята, че биофотоните не са резултат от активна сигнализация в клетките, а просто странични продукти на метаболизма. С други думи, макар че тези сигнали могат да предсказват физиологични състояния, те не ги причиняват. Знаем например, че светлината от мозъците на стареещи мишки се измества към синия край на видимия светлинен спектър, характеризиращ се с по-къси, по-енергични дължини на вълните. Дали това е само маркер за стареещ мозък? Или тези светлинни емисии карат мозъка да функционира по различен начин, по същия начин, както биха могли химикалите?

Това все още е отворен въпрос.

Но дори и биофотоните да са странични продукти на химичните реакции, те все още имат потенциала да служат като значими сигнали. Виждаме паралел в химическата сигнализация. Когато клетките произвеждат енергия, те разграждат молекули като глюкоза чрез каскада от реакции, които произвеждат АТФ, топлина и редица по-малки молекули. Някои от тези продукти просто се изчистват или рециклират. Други се превръщат в сигнали, които казват на клетката за нейното метаболитно състояние. Биофотоните могат да следват подобна логика в биофизичен модел на живота, където те могат да започнат като странични продукти на метаболитната енергия, но все пак да се превърнат в полезни физически сигнали, които близките клетки могат да открият и на които да реагират.

Тази възможност става по-лесна за приемане на сериозно, когато си спомним, че светлината вече взаимодейства с тялото по начини, които далеч надхвърлят зрението. При фотобиомодулацията, изследователите – и все по-често клиницистите – използват светлина, за да променят физиологията.

Изследователите са установили, че UV, инфрачервените и видимите дължини на вълните на светлината могат да повлияят на човешките тъкани, вариращи от кожа до мозък и дори кости, по различни начини. Червената и близката инфрачервена светлина, например, може да повлияе на клетъчния метаболизъм и е изследвана за нейното въздействие върху възпалението, заздравяването на рани и мозъчната функция.

Ако външно приложената светлина може да промени биологията, става разумно да се запитаме дали светлината, произведена естествено вътре в тъканите, също може да има биологични последици. Все пак не е ясно дали клетъчните биофотони, които са сравнително много по-слаби от светлината, използвана във фотобиомодулацията, биха могли да имат подобни ефекти върху съседните клетки.

Още по-малко сигурна е идеята, че тези сигнали са регулирани или организирани по целенасочен или целенасочено инструктивен начин на клетъчно ниво.

Това е най-важният въпрос. Ако клетките комуникират чрез скрити оптични мрежи в нашите тъкани, тогава декодирането на тези съобщения ще отключи богат гоблен от биологична информация и ще вдъхнови нова вълна от технологии за четене и подпомагане на човешкото здраве.

Например, бихме могли да наблюдаваме оптичната среда на тъканите и да картографираме ранни признаци на проблеми, включително промени в микросредата, които предизвикват рак. Бихме могли да открием заболяването, преди да стане видимо, чрез конвенционални методи – в този момент може да е твърде късно, за да се предотврати страданието.

Тази възможност става още по-убедителна, когато си спомним какво може да прави светлината. Тя може да варира по интензитет, дължина на вълната, време на излъчване, поляризация и посока, което ѝ придава множество физически измерения, чрез които информацията по принцип би могла да бъде кодирана и декодирана от нашите клетки. Ако живите системи произвеждат и реагират на тези модели по регулиран начин, тогава оптичната микросреда на клетките е от значение.

Това би променило и начина, по който мислим за светлината, на която сме изложени всеки ден. Ако клетките са чувствителни към светлината като биологичен сигнал, тогава слънчевата светлина, изкуственото осветление и екраните, които носим в джобовете си, може да не са просто фонът на живота ни, а част от физическата среда, която тъканите ни постоянно интерпретират като смислена информация.

Дори ако биофотоните са само метаболитни отработени газове, те все пак могат да служат като мощни биомаркери. Точно както отработените газове на автомобил могат да кажат на механика дали двигателят гори правилно, прегрява или е под напрежение, слабата клетъчна светлина може един ден да ни помогне да разчетем състоянието на тялото, от метаболизма до фините промени в състоянието на мозъка.

Но ако биофотоните също са сигнали – дори понякога – тогава биологията съдържа комуникационен канал, който едва сме се научили да откриваме и разбираме. Това е въпросът, който кара екипа ми да се връща в лабораторията: Дали тези фотони са само сиянието на метаболизма или клетките ги използват, за да пренасят информация?

Слабите проблясъци, идващи от клетките ни, може сами по себе си да не отговорят на най-дълбоките въпроси на биологията. Но те могат да ни помогнат да си зададем по-добри. А понякога в науката нова област започва не с нещо ослепително, а със сигнал, толкова слаб, че почти всички са го пропуснали.