Сверхслабые «биофотоны» могут быть использованы для диагностики заболеваний или даже представлять собой новый сигнальный механизм в клетках.
В 2025 году квантовый физик Даниэль Облак и его коллеги опубликовали изображения мышей, которые облетели весь мир. Исследователи поместили четырех анестезированных мышей в затемненную коробку и направили на них чувствительную камеру. Она зафиксировала поток фотонов, испускаемых кожей животных: световой сигнал, слишком слабый, чтобы его мог увидеть человеческий глаз, но видимый на изображениях камеры как призрачное свечение в форме мыши. В конце эксперимента мышей умертвили и поместили обратно в камеру, чтобы снова сделать снимки. На этот раз свечение исчезло; за исключением нескольких оставшихся световых пятен, мыши практически "растворились" в фоновом шуме. Увидеть эти изображения было «определяющим моментом», рассказывает Облак, работающий в Университете Калгари в Канаде. Как будто исследователи сфотографировали саму жизнь.
Статья получила широкое распространение в интернете. Исследователей завалили сообщениями: от утверждения целителей о том, что их руки излучают свет, до свидетельств очевидцев о светящихся деревьях; заголовки по всему миру задавались вопросом, реальны ли эти ауры. Облак подчеркивает, что запечатленные им фотоны имеют мало общего с такими утверждениями, не в последнюю очередь потому, что невооруженным глазом эти слабые излучения не видны. Вместо этого он видит в этом признак того, что долгое время неправильно понимаемая область наконец-то достигла зрелости: изучение «биофотонов», производимых живыми клетками по всему древу жизни.
Существование биофотонов (также известных как сверхслабые фотонные излучения) было установлено задолго до того, как команда Облака сделала эти поразительные снимки. Излучение возникает в результате метаболических процессов внутри клеток, как правило, в их митохондриях. Но он и другие исследователи изучают их в надежде, что они окажутся полезными в качестве тонких маркеров заболеваний или здоровья. И если ученые смогут подтвердить факт того, что сами клетки также реагируют на фотоны, это может расширить понимание того, как работает жизнь. «Если удастся доказать, что клетки общаются посредством света, это будет фантастика», — считает Михал Цифра, специалист по биоэлектродинамике из Чешской академии наук в Праге. «Это одна из тех областей, которая, кажется, находится на грани невозможного», — отмечает Ник Лейн, изучающий митохондриальную биохимию в Университетском колледже Лондона. «Но это не значит, что она не существует».
Идея о том, что клетки могут общаться посредством света чрезвычайно низкой интенсивности, впервые была предложена в 1920-х годах русским биологом Александром Гурвичем. Он провел эксперименты с корнями лука, сообщив, что растущий кончик корня может запускать деление клеток в соседнем корне. Эффект блокировался, если корни были разделены непрозрачными или стеклянными пластинами, но сохранялся, если пластина была сделана из кварца, который пропускает ультрафиолетовое излучение. Он пришел к выводу, что клетки корня производят фотоны ультрафиолетового света и реагируют на них. За этим последовала волна исследований, говорит Цифра, но эффект было трудно воспроизвести. «Люди потеряли интерес и стали считать это всего лишь псевдонаукой».
В 1950-х годах исследования с использованием фотоумножителей — устройств, преобразующих слабый свет в электрические сигналы и достаточно чувствительных для подсчета отдельных фотонов, — подтвердили, что живые системы, от бактерий до растений и млекопитающих, действительно излучают свет. Его интенсивность немного ниже предела темновой адаптации человеческого зрения, составляя всего от десятков до сотен фотонов на квадратный сантиметр в секунду, и охватывает диапазон длин волн, включающий видимый свет, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Это явление отличается как от теплового излучения (которое производится всеми поверхностями, живыми или нет, в зависимости от температуры), так и от гораздо более яркого света, производимого биолюминесцентными организмами, такими как светлячки и медузы.
Однако эта область исследований не смогла избавиться от ассоциаций с псевдонаукой. С 1970-х до начала 2000-х годов немецкий биофизик Фриц-Альберт Попп возглавлял ряд исследований, основанных на спорном утверждении о том, что биофотоны (термин, который он сам придумал) излучаются не случайным образом, а имеют структуру, более похожую на лазерный свет, организованную когерентным квантовым электромагнитным полем, которое пронизывает организм или клетку. Это, наряду с тем фактом, что Попп и его сторонники предполагали, что биофотоны могут быть механизмом действия различных методов лечения, от гомеопатии до иглоукалывания, заставило многих исследователей, придерживающихся традиционных подходов, избегать этой темы.
Пока нет доказательств такой квантовой когерентности, отмечает Цифра, добавляя, что трудно представить, как она может возникнуть в биологической системе. Но это не значит, что эти излучения не заслуживают изучения, говорит он. Как и Облак, он надеется, что с появлением более чувствительных детекторов в сочетании со строгими методами биофотоны могут стать более устоявшейся областью исследований. «Я бы сказал, что область исследований, технологии, а также образ мышления некоторых представителей сообщества достигли зрелости».
Исследование Облака на мышах, сравнивающее жизнь и смерть, стало яркой визуальной демонстрацией тесной связи фотонов с жизнью: «Это был первый раз, когда можно было увидеть воочию», — говорит квантовый физик-теоретик из Университета Калгари, Кристоф Саймон. И есть надежда, что биофотоны могут дать представление о здоровье клетки.
Биофотоны образуются во время аэробного метаболизма, при котором клетки используют кислород для расщепления питательных веществ и извлечения энергии. В основном это происходит в митохондриях. Во время метаболических реакций короткоживущие химические вещества, образующиеся из кислорода, называемые активными формами кислорода (АФК), генерируют промежуточные соединения, которые разлагаются, образуя молекулы в «возбужденном» электронном состоянии. По мере того, как они переходят в более стабильные состояния, они могут высвобождать энергию в виде фотонов. Высокоэнергетическое «синглетное» состояние кислорода может испускать фотон красного света при распаде, например, тогда как возбужденные карбонильные (C=O) группы светятся в сине-зеленом диапазоне.
Хотя они являются частью нормального метаболизма, АФК также функционируют как сигнальные молекулы, когда клетка реагирует на стресс, такой как инфекция или травма. И многие исследования — с участием различных организмов, от амеб до человеческих рук — показали, что эти стрессовые реакции, соответственно, вызывают всплеск испускаемого света. В неопубликованных экспериментах Облак и Саймон сделали небольшие надрезы на листьях карликового зонтичного дерева (Heptapleurum arboricola). Они сразу же увидели всплеск испускания фотонов в месте надреза, который вскоре распространился, образуя более широкое кольцо; Облак предполагает, что они наблюдали за реакцией растения на повреждение в реальном времени. Они также обнаружили изменение закономерностей в длине волны испускаемого света. «Стрессовая реакция, по-видимому, отличается от чисто метаболической реакции растущего организма», — говорит Облак.
«Меня поражает тот факт, что, просто наблюдая за светом, можно потенциально оценить активность клеток, метаболическую активность и степень окислительного стресса», — говорит Цифра. Он отмечает, что рак, сердечно-сосудистые заболевания и нейродегенеративные заболевания связаны с повышением окислительного стресса, поэтому биофотонная визуализация может позволить раннее выявление таких заболеваний. «Это очень интересно».
Несколько групп уже изучают, могут ли биофотоны выявлять ранние признаки рака. Ранее группа под руководством Маурицио Бенфатто, исследователя фотоники из Национального института ядерной физики Италии, исследовала излучение в клетках головного мозга. Группа сообщила о различиях в характере излучения в здоровых клетках, называемых астроцитами, по сравнению с раковыми клетками глиобластомы. Нироша Муруган, биофизик из Университета Уилфрида Лориера (Канада) и ее коллеги обнаружили то же самое в отношении здоровых клеток кожи и раковых клеток меланомы в клеточных линиях мышей и человека. Сейчас она набирает участников для проверки того, могут ли подсчеты фотонов различать доброкачественные родинки от меланомы на коже людей без необходимости брать биопсию.
Исследователям не обязательно иметь самое современное оборудование для изучения биофотонов — в зависимости от того, что они пытаются зафиксировать. Команда Облака использовала чувствительную камеру, охлажденную почти до −100 °C, для получения подробных изображений мышей, но в работе Муруган, которая направлена только на подсчет фотонов, используются простые фотоумножители, направленные на людей, полностью изолированных от света.
Поскольку раковые клетки имеют иное метаболическое состояние, чем нераковые, «неудивительно, что существуют различия» в излучении биофотонов, полагает Брайан Уилсон, медицинский биофизик из Университета Торонто, Канада. Он предполагает, что биофотоны могут быть полезны в качестве исследовательского инструмента, возможно, для скрининга воздействия лекарств на клетки. Но он не уверен, что они могут предоставить полезную информацию о пациентах. «Мне трудно представить такую клиническую диагностику», — говорит он. «Сигнал слишком слабый».
Первоначальной целью исследования Облака на мышах было проверить, могут ли биофотоны выявить наличие опухолей под кожей животных, но, по его словам, на изображениях не было получено убедительного сигнала, возможно, потому что избыток фотонов рассеивался мертвой тканью вокруг опухолей или самой кожей. Однако ученые сообщили, что излучение биофотонов из ткани гиппокампа, взятой у здоровых крыс, отличается от излучения, производимого тканью, взятой у крыс с химически индуцированной формой болезни Альцгеймера. Исследование находится на ранней стадии, но авторы предполагает, что в будущем, возможно, удастся отслеживать признаки заболевания с помощью крошечного фотонного чипа, прикрепленного к внутренней поверхности черепа. Среди других изучаемых применений биофотоники — сканирование семян растений на жизнеспособность и проверка состояния донорских органов перед трансплантацией. «Это совершенно новый сигнал, который можно исследовать», — говорит Саймон. «Мы только начали изучать его».
Эти исследования поднимают вопрос о том, считывают ли живые системы эти сигналы или реагируют на них, как первоначально предположил Гурвич на примере корней лука. Представляют ли биофотоны ранее неизвестную систему клеточной коммуникации? Это предположение гораздо более спорно, чем идея использования их в диагностических целях. Многочисленные исследования показали, что клетки, разделенные прозрачными барьерами, могут влиять друг на друга, от активации лейкоцитов до регулирования кальциевой сигнализации или скорости роста. Цифра, написавший несколько критических обзоров по этой тематике, говорит, что эти эффекты часто трудно воспроизвести, и что исследования не всегда адекватно исключают другие причины, такие как перенос химических веществ между клетками.
Некоторые эксперименты сложнее игнорировать, например, группа биологов под руководством Риса Моулда из Вестминстерского университета в Лондоне изучала изолированные митохондрии в герметичных кварцевых контейнерах. Добавление токсина в один контейнер снижало скорость дыхания митохондрий в соседних, при этом митохондрии из раковых клеток демонстрировали более сильную реакцию, чем митохондрии из здоровых клеточных линий. Эффект блокировался непрозрачным барьером из алюминиевой фольги. Тем не менее, Цифра утверждает, что трудно представить, как может работать биофотонная сигнализация без фонового света, заглушающего слабые излучения. «Я не исключаю возможности того, что это явление реально», — говорит он. Но если это так, «мы, вероятно, упускаем что-то важное в лежащей в основе этих явлений физики».
Одной из особенностей, которая могла бы помочь излучениям выделиться на фоне шума, является наличие сигнала в общей, скоординированной картине излучений, а не в каждом отдельном фотоне. Бенфатто рассказал, что обнаружил подобные закономерности, изучая, как меняется со временем излучение фотонов от прорастающих семян чечевицы. Это не доказывает, что другие растения обнаруживают эти фотоны, но, если это подтвердится, это указывает на то, что биофотоны, по крайней мере, могут нести полезную информацию. Бенфатто предполагает, что это может позволить различным семенам или растениям в почве влиять на закономерности роста друг друга или запускать прорастание.
Исследователи также изучают, могут ли биофотоны восприниматься клетками внутри нашего тела. Бенфатто сообщил о предварительных доказательствах сложных закономерностей в излучении биофотонов от астроцитов, которые, по-видимому, слабее в раковых опухолях. Опять же, это может быть лишь побочным продуктом измененного метаболизма, а не активным фактором здоровья клеток или развития заболеваний. Но если фотоны действительно играют роль в регуляции, предполагает он, понимание их может привести не только к диагностическим тестам, но и к терапии, которая могла бы помочь перенастроить систему, когда она дает сбой. «Возможно, это можно сделать с помощью света».
Действительно, некоторые исследователи предположили, что биофотонная сигнализация может быть механизмом, посредством которого терапия красным светом (или ближним инфракрасным светом) влияет на многие биологические процессы, от старения кожи и болей в суставах до нейродегенеративных заболеваний. Уилсон в целом скептически относится к тому, могут ли биофотонные излучения иметь существенное значение для организмов. Но он говорит, что существуют механизмы, которые могут помочь усилить сигнал, такие как флуоресцентный резонансный перенос энергии (FRET), при котором фотон запускает обмен энергией между близко расположенными молекулами, потенциально запуская каскад сигналов.
Между тем, Лейн отмечает, что хорошо известно, что, помимо производства фотонов, митохондриальные компоненты, такие как цитохромы и флавины, могут поглощать определенные длины волн света, и это может влиять на скорость дыхания. В принципе, такие сигналы могут быть полезны, например, для модуляции реакции на стресс. При этом он сомневается, достаточно ли велико излучение биофотонов, чтобы оказывать какое-либо физиологическое воздействие, но отмечает, что количество фотонов внутри клеток может быть значительно выше, чем измеренное вне их.
Еще более спекулятивным является вопрос о том, выполняют ли биофотоны какую-либо полезную функцию в нашем мозге. Нейроны — как и все клетки — излучают биофотоны в результате своего метаболизма, и было показано, что нейронная активность коррелирует с интенсивностью излучения биофотонов. Это не доказывает, что сами биофотоны играют сигнальную роль. Однако, что любопытно, мозг содержит фоторецепторы для длин волн света, которые едва проникают через череп, и исследователи не знают почему. «По крайней мере, можно представить», — говорит Саймон, — что эти рецепторы могут реагировать на фотоны, генерируемые внутри клеток.
Можно было бы ожидать, что фотоны, производимые клетками, будут рассеиваться в случайных направлениях и терять энергию при взаимодействии с тканями. Но Саймон предполагает, что фотоны могут распространяться вдоль нейронных аксонов. Миелиновая оболочка, изолирующая аксон, имеет более высокий показатель преломления, чем остальная часть аксона, и есть некоторые свидетельства (как из собственных исследований Саймона, так и из экспериментальных исследований других групп), что аксоны могут действовать как миниатюрные оптические волокна, потенциально направляя фотоны по мозгу. Если клетки мозга частично обмениваются информацией с помощью света, это может обеспечить те аспекты обучения и мышления, которые трудно объяснить только электрической сигнализацией, говорит Саймон. «Мы не знаем, как мозг действительно справляется со всеми этими вещами, имея довольно медленные процессы».
Фотоны могут даже поддерживать квантовые эффекты, утверждает он; возможно, они могут быть запутаны с квантовыми состояниями других атомов или электронов и, таким образом, передавать информацию по мере своего движения. Он предполагает, что можно проверить светоопосредованную сигнализацию, подавляя или генетически модифицируя фоторецепторы в мозге, или вводя дополнительный фоновый свет, а затем изучая влияние на обучение.
Хотя подобные идеи носят предположительный характер, в принципе нет причин, по которым мозг не мог бы эволюционировать в использование света, генерируемого внутри него, считает физиолог Элисон Суини, изучающая пути восприятия света. Некоторые биолюминесцентные беспозвоночные, такие как огненные сальпы (Pyrosoma), уже известны тем, что используют генерируемый ими свет для передачи сигналов между собственными нейронами, говорит она. Если нечто подобное происходит и в человеческом мозге, то биохимические пути могли эволюционировать для регулирования или контроля этого процесса, возможно, с использованием молекул, аналогичных парам люциферин-люцифераза, обнаруженным в биолюминесцентных организмах. «Это то, что абсолютно точно может существовать, и, возможно, никому никогда не приходило в голову искать это».
В конечном итоге, многих исследователей биофотонов вдохновляет возможность того, что световая сигнализация окажется универсальной особенностью биологии, хотя и с гораздо меньшей интенсивностью света, чем та, которая производится биолюминесценцией. Муруган надеется, что эта область науки сможет изменить наше представление о метаболических процессах, лежащих в основе жизни.
Однако первая проблема может заключаться в том, чтобы убедить исследователей за пределами своей области вообще заниматься этим явлением. Бенфатто жалуется на «узколобых» коллег, которые отрицают существование биофотонов, не читая научные статьи. Муруган подчеркивает, что сталкивается с «недостатком осведомленности», в сочетании с предполагаемой ассоциацией со спекулятивными идеями, такими как ауры. «Большинство людей просто не знают, что биологический свет — это реальная область исследований со своими методами, механизмами и биомедицинской значимостью», — говорит она.
Для Цифры первоочередная задача — создать строгую базу доказательств, начиная с диагностических приложений. В апреле он запустил онлайн-сеть с открытым доступом под названием Biophotoniq, которая на данный момент насчитывает 25 участников, призванную помочь исследователям стандартизировать методы и обмениваться данными. Цифра также стремится упростить технологии, необходимые для изучения биофотонов, в надежде, что к этому процессу присоединится больше исследователей. Например, он разработал светонепроницаемый бокс, напечатанный на 3D-принтере, для визуализации биофотонных излучений кожи, который, по его мнению, можно использовать для чего угодно — от тестирования солнцезащитных кремов до мониторинга признаков болезни Паркинсона. «Мы делаем это максимально доступным, так что любой желающий может обратиться к нам». Облак также полагает, что пора серьезно отнестись к биофотонам. «Это реальные исследования и наука. И реальные эффекты», — говорит он.
