Наследие ученых

Луиджи Колли и Уго Фаччини

Итальянские физики Луиджи Колли и Уго Фаччини попытались поймать нечто, во что многие уже не верили, — крошечные всполохи света, исходящего от живых семян. Эта захватывающая история об их экспериментах связала воедино смелые гипотезы 1920-х и передовые исследования наших дней, возродив идею о том, что живые клетки могут общаться с помощью света.

Луиджи Колли (Luigi Colli) был итальянским физиком середины XX века, работавшим в Политехническом институте Милана. Он специализировался на ядерной и измерительной физике, участвовал в разработке чувствительных приборов и методов детектирования элементарных частиц. Колли проявлял интерес к междисциплинарным исследованиям: помимо работ по ядерной физике, именно он снова поднял вопрос, могут ли живые организмы испускать крайне слабый свет. Этот вопрос привёл его к серии уникальных экспериментов на стыке физики и биологии, прославивших Колли как пионера в области изучения так называемого ультраслабого биологического свечения.

Уго Фаччини (Ugo Facchini), коллега и соратник Колли, итальянский учёный. В 1950-х годах Фаччини работал в Милане в лабораториях CISE (Centro Informazioni Studi Esperienze) – центре, созданном для исследований в области ядерной энергетики и физики приборов. Фаччини внёс значительный вклад в развитие экспериментальной ядерной физики в Италии и позднее стал профессором Миланского университета, где продвигал исследования в этой сфере. Его опыт в создании детекторов и обращении с фотоумножителями оказался бесценен в совместной с Колли работе. В дуэте Колли–Фаччини именно Фаччини отвечал за техническую сторону экспериментов, помогая настроить сверхчувствительную аппаратуру для регистрации мельчайших световых сигналов.

Исследования в новой области сулили много интересного. В 1920–1930-х годах тему митогенетического излучения подхватили многие исследователи — по всему миру вышли сотни статей. Но на их пути стояло серьезное препятствие. Световой язык клеток был настолько слаб, что физические приборы того времени не могли его зарегистрировать. Из-за несовершенства методов регистрации столь слабого УФ-свечения и противоречивых данных интерес к митогенетическим лучам стал угасать, так как в 1930–40-е годы многие исследователи не смогли надёжно подтвердить результаты Гурвича. К середине века работы в этой области практически свернулись, и идея биологического излучения оказалась на периферии науки. Лишь после Второй мировой войны ситуация изменилась: появились новые электронные приборы – высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные улавливать единичные фотоны. Это открыло путь к объективной проверке гипотез Гурвича: наконец стало возможным физически зарегистрировать крошечные потоки света, испускаемые живыми клетками, о которых прежние поколения учёных могли только догадываться.

В начале 1950-х Луиджи Колли и Уго Фаччини объединили усилия, чтобы с помощью новейшей техники проверить: светятся ли живые организмы на самом деле? В 1954 году они провели серию новаторских экспериментов, ставших первыми в мире прямыми измерениями ультраслабого свечения биологических объектов. Объектом исследования учёные выбрали прорастающие семена растений – модель, где идёт интенсивное деление клеток, а значит, по идее, могло бы проявиться и биологическое излучение. Важной деталью было то, что Колли и Фаччини брали непигментированные части растений – например, белые проростки злаков и бобовых, не содержащие хлорофилла. Это устраняло мешающие факторы: зелёные пигменты могли сами флуоресцировать или запасать свет, поэтому исследователи сосредоточились на бледных корешках и ростках.

Экспериментальная установка Колли и Фаччини выглядела так: пророщенные в полной темноте семена (например, пшеницы, кукурузы, чечевицы) раскладывали на круглой чашке диаметром порядка 14 см и помещали в герметичный светонепроницаемый контейнер. Над образцом располагался фотоумножитель – вакуумный электронный прибор, способный умножать ток от единичных фотонов. Чтобы снизить собственные шумы детектора, его работу стабилизировали по температуре: один ФЭУ охлаждали проточной водой, другой – сухим льдом (около –78 °C). Свет от образца собирался специальным рассеивающим световодом, покрытым изнутри оксидом магния для повышения отражательной способности. Этот световод направлял излучение от проростков прямо на фотокатод ФЭУ, полностью изолированного от внешних огней толстым слоем экранирующего материала. Вся установка находилась в тёмной комнате, исключавшей постороннюю засветку.

Колли и Фаччини настроили ФЭУ в режиме счёта отдельных квантов света и начали регистрировать импульсы тока – вспышки, соответствующие попаданию фотонов от образца. В течение эксперимента они сравнивали частоту импульсов с проростками и без них. Результаты оказались поразительными. При внесении живых проростков число зарегистрированных фотонов статистически значимо превышало фон. Например, для шестидневных ростков чечевицы они фиксировали порядка 6–10-кратного увеличения счёта фотонов по сравнению с темновым фоном. Иначе говоря, проростки явно светились, пусть и крайне слабым, невидимым глазом образом. Это свечение было первым надёжно зафиксированным примером ультраслабой биолюминесценции растений (впоследствии такую эмиссию назовут биофотонной).

Колли и Фаччини не ограничились простым обнаружением свечения – они тщательно исследовали свойства этого явления. С помощью светофильтров учёные определили, в каком диапазоне спектра испускается излучение. Оказалось, что биосвечение проростков лежит в видимой области спектра – примерно от 4500 до 6500 Å (или 450–650 нм). Максимум интенсивности пришёлся на зелёный свет, около 550 нм. Это был важный вывод: митогенетические лучи Гурвича, предположительно УФ-природы, не были напрямую обнаружены, зато открылась неожиданная видимая составляющая свечения живых тканей. По сути, Колли и Фаччини нашли, что активно растущие клетки растений испускают не ультрафиолет, а в основном фотоны видимого света – хоть и в мизерных количествах.

Колли и Фаччини проследили и динамику свечения во времени. Они наблюдали, как в первые часы после начала прорастания световой сигнал отсутствует (семена находятся в покое), затем – с началом активного роста – возникает небольшое свечение, которое постепенно нарастает по мере разворачивания ростка. Спустя несколько суток интенсивность достигала стабильного уровня, превышающего фоновые значения в разы. Все эти факты указывали, что зарегистрированный свет – не случайный артефакт, а реальный продукт биохимических процессов роста.

Результат Колли и Фаччини подтвердил базовую идею Гурвича – клетки действительно обмениваются сигналами в виде фотонов, даже если конкретный спектр отличается от изначальной гипотезы. Научное сообщество 1950-х восприняло работу итальянских физиков как долгожданное подтверждение существования “свечения жизни”. Скепсис вокруг митогенетических лучей заметно ослаб, ведь экспериментальная регистрация фотонов была неопровержимым фактом.

Эксперименты Колли и Фаччини 1954–55 годов ознаменовали собой поворотный момент. Впервые было показано, что живые системы испускают электромагнитные кванты света крайне малой интенсивности. Это достижение вдохнуло новую жизнь в прерванную линию исследований Гурвича. Сам Александр Гаврилович не дожил до этого триумфа своих идей, но последующие события подтвердили его правоту на полвека вперёд. Работа итальянских учёных стала мостом между ранними гипотезами и современной наукой, предоставив надёжный методический фундамент для изучения биофотонного излучения (термин, который закрепился за этим явлением позже).

В конце 1950-х и далее исследования сверхслабого свечения стремительно развивались по всему миру. В СССР уже к 1958–1959 гг. Ю. А. Владимиров и Ф. Ф. Литвин в МГУ повторили и расширили результаты Колли и Фаччини, обнаружив аналогичное собственное свечение клеток животных и человека. Они ввели в обиход сам термин «сверхслабое свечение» и подтвердили его химическую природу. В 1960-е годы советские группы (Б. Н. Тарусов, А. И. Журавлёв и др.) поставили широкую серию опытов, изучая спектры, кинетику и биологическую роль этого явления. Параллельно биосвечениe начали изучать на Западе. Спустя пару десятилетий, в 1970–80-х, немецкий биофизик Фриц-Альберт Попп и его коллеги вновь открыли для мировой науки биофотоны, опубликовав десятки статей о когерентном ультраслабом излучении клеток. С тех пор интерес к теме только рос.

Сегодня исследования биофотонного свечения стали международным направлением. Существует несколько специализированных лабораторий в Европе, Азии и Америке, изучающих применение биофотонов в биологии и медицине. Ультрачувствительные фотоумножители и CCD-камеры нового поколения позволяют не только подсчитывать единичные фотоны, но и получать изображения распределения этого свечения по организму.

Методики регистрации биофотонов уже находят практическое применение. В агробиологии по ультраслабому свечению оценивают качество семян и продуктов: оказалось, что жизнеспособные, здоровые семена излучают другой фотонный «портрет», чем старые или повреждённые. При прорастании активность биофотонов отражает энергетику и здоровье зародыша. В физиологии растений такие измерения используют для мониторинга стрессовых состояний. Если растение подвергается стрессу — будь то засуха, воздействие химического вещества или инфекция, — уровень его биофотонного свечения резко возрастает на несколько порядков, а затем медленно спадает. По этим вспышкам можно без контакта судить о том, что растение «чувствует» плохо, задолго до видимых глазу признаков увядания.

Особенно многообещающи приложения биофотонов в медицине. Поскольку ткани человека тоже испускают слабые фотоны, появились идеи использовать это для неинвазивной диагностики. К примеру, выяснилось, что раковые клетки и опухоли могут отличаться по уровню и характеру ультраслабого свечения от нормальных тканей. Группы исследователей в Японии и других странах сумели, применяя сверхтихие CCD-камеры, получить изображения биофотонного излучения опухолей у лабораторных животных. Было показано, что интенсивность свечения коррелирует с активностью и агрессивностью опухоли: быстрорастущие злокачественные клетки светят иначе, чем окружающие здоровые. Фактически, рождается метод «оптической биопсии», когда по световой картине можно судить о жизнеспособности и росте опухоли, не прибегая к хирургическому вмешательству. Ведутся работы по биофотонной диагностике метаболических и неврологических заболеваний, поиску связи между изменениями свечения и состоянием иммунной системы и многому другому.

Все эти достижения во многом стали возможны благодаря первопроходческим опытам Луиджи Колли и Уго Фаччини. Их эксперименты 1950-х годов заложили тот самый фундамент, на котором сейчас строится новое понимание живых организмов. Сегодня мы знаем: каждый из нас непрерывно испускает крошечный поток фотонов — от нескольких до сотен фотонов в секунду с квадратного сантиметра поверхности тела. Этот свет нельзя увидеть глазами, но он реален и сопровождает все жизненные процессы. Идеи Гурвича о «языке света» обрели новое звучание: «митогенетические лучи» действительно существуют и являются частью сложного языка межклеточной коммуникации, разгадку которого наука продолжает искать. Благодаря энтузиазму Колли и Фаччини человечество заново открыло для себя свет жизни — таинственный язык фотонов, на котором разговаривают наши клетки.