Світіння клітин

Не один десяток років вчені намагаються розібратися в природі і механізмі надслабкого світіння клітин. Складність проблеми посилюється відсутністю зараз, скільки-небудь усталеної точки зору на те, які структури клітини відповідальні за це випромінювання, а також величезна складність вивчення цього надзвичайно слабкого випромінювання фізичними засобами.

Важко сказати точно, чи схожий нинішній світлячок на свого предка двохтисячолітньої давності, але відомо, що світло, що випромінюється ним, зацікавило ще Аристотеля. Причому настільки, що давньогрецький мислитель вельми грунтовно описав його в своїх працях. Зрозуміло, далі цього справа не пішла. Не під силу в ті часи було пояснити таке дивне явище, як «горіння» живого організму, та таке, яке ще не спалює його самого! Адже і саме-то горіння змогли пояснити лише через приблизно 2300 років, коли англійський фізик Р. Бойль встановив, що для цього явища потрібен кисень. Однак пройшло ще кілька десятків років, перш ніж вченим вдалося виявити в світних організмах особливі клітини, що містять «горючі» речовини — люциферин і люциферазу. Причому горить-то, випускаючи світло, люциферин, а люцифераза — специфічний фермент — сприяє його окисленню, і без неї світіння бути не може.

Таке яскраве, видиме і простим оком світіння, що виникає мимовільно, назвали екзотичним, або біолюмінесценцією. Доведено і те, що це світіння живих організмів пов’язане з киснем: адже без нього окислення неможливо.

Так була розгадана загадка світіння деяких живих організмів – комах і глибоководних риб; окисленню зобов’язані своїм світлом і гнилушки в лісі. Однак, коли ми говоримо про надслабке світіння живих клітин, мова йде не про спонтанне, екзотичне світіння, притаманне, як це видно з назви, лише обраним організмам. Сьогодні багато дослідників схильні вважати надслабке світіння універсальною властивістю клітин всіх організмів – і рослин, і тварин.

Ще на початку двадцятих років минулого століття російський біолог А. Г. Гурвич вивчав світіння живих клітин, що лежить за кордоном видимої частини спектра, за його фіолетовою частиною. Не володіючи в той час настільки розумними і чуйними приладами, якими користуються біологи нині, він все ж спробував довести, що випромінювання існує в клітинах живих організмів. На відстані одного сантиметра один від одного він поміщав паралельно два корінця рослин і через деякий час спостерігав прискорення поділу клітин у рослини більш «слабкої», а потім і у обох корінців. Таке прискорене ділення клітин рослин не припинялося і тоді, коли між корінцями ставилася кварцова пластинка. Але варто було її замінити склом звичайним, як взаємодія припинялася! Це говорило про те, що «спілкування» між корінцями рослин відбувається за допомогою якихось променів. Але яких? Може бути, ультрафіолетових? Адже крізь звичайне скло вони не проникають.

Але ось що вражаюче: до цього часу ніякими фізичними методами, ніякими сучасними приладами, навіть самими «всевидячими», ультрафіолетове світіння клітин побачити не вдається. Не вдається, незважаючи на те, що вчені витратили на такі спроби чимало часу і сил. Доктор біологічних наук А. І. Журавльов віддав таким спробам більше чотирьох років, його колега, теж доктор біології, С. В. Конєв — дванадцять.

Взагалі кажучи, може бути, і не слід було так детально зупинятися на розборі цього «чи то світіння, чи то ні». Але справа в тому, стверджують вчені, що саме роботи Гурвіча спонукали дослідників спробувати виявити клітинне випромінювання за допомогою сучасних наукових методів. І надслабке світіння клітин, правда в діапазоні видимого (а не ультрафіолетового, як вважав Гурвич) світла, вдалося таки зафіксувати чутливими фізичними приладами. У рослин світіння зареєстрували італійські вчені Коллі і Фацціні, а у ссавців — російські біофізики Б. Н. Тарусов, А. І. Поливода і А. І. Журавльов.

Ми стояли поруч з великою білою, що нагадує холодильник «ЗІЛ» шафою. За зовнішнім виглядом ніяк не можна було визначити, що цей пристрій собою являє. Все було всередині.

– За допомогою цієї установки ми змогли довести, що живі тканини світяться, — Журавльов перейшов від історій до досліджень останніх років. – І випускають вони саме видиме світло, а не ультрафіолетове випромінювання. Видиме, хоча і надзвичайно слабке. Дослідження ми почали з ліпідів. Адже я – фахівець з ліпідів і, природно, спробував в першу чергу вивчити саме їх. Але була й інша причина, чому ми вибрали жири: вони окислюються інтенсивніше, ніж будь-які інші компоненти тканин живого організму. Значить, і світіння у них, як нам здавалося, має бути сильніше.

Для початку ми взяли соняшникову олію, і наші очікування виправдалися! Світіння виявилося настільки яскравим (відносно, звичайно), що його можна було, ймовірно, помітити і за допомогою приладу значно менш чуйного, ніж цей. Однак спочатку ніхто з наших колег не хотів вірити в таке «диво», адже вважалося, що жири не випускають світло. Але сперечатися проти факту очевидного було неможливо: жири світилися, і світилися у видимій, а не ультрафіолетовій частині спектра.

Потім ми взялися за дослідження печінки мишей і щурів. Світіння цих органів виявилося слабшим, ніж у жирів, проте наша установка цілком надійно відзначала його, як і той факт, що знаходиться воно також у видимій частині спектра. Потім спробували дослідити на світіння кров тварин, але тут нас спочатку спіткала невдача. Чому? Як потім з’ясувалося, винуватцями невдач було кілька факторів. Перш за все-слабкість світіння самої крові через присутність в ній гемоглобіну. Адже він діє тут, як вогнегасник при виникненні пожежі: гасить його на самому початку. Ймовірно, це явище і завадило багатьом вченим з повною достовірністю зафіксувати світіння цільної крові. Втім, не тільки крові, але і м’язів. Адже в них теж є речовина схожа на гемоглобін, — міоглобін.

Однак дослідження, які проводилися протягом багатьох років А. Е. Закаряном, Б. Н. Тарусовим, А. І. Митрофановим і мною, привели до думки, що можливо світіння не самої цільної крові, а її плазми або сироватки. Інакше кажучи, крові, з якої за допомогою центрифуги видалені еритроцити і, отже, гемоглобін. Це і підтвердилося: сироватка, або плазма крові світилася раз в десять інтенсивніше, ніж тканини печінки.

Слухаючи Олександра Івановича, я думав про те, як все-таки просто виглядає все вже відкрите! Люди витрачають на відкриття десятиліття, все життя, а воно часом вкладається в півсторінки тексту. Так і у випадку з відкриттям надслабкого, або метаболічного світіння в живих тканинах. Скільки вчених прагнули його виявити! Скільки зусиль було витрачено на це! І ось воно, як то кажуть, в наших руках. Але і це ж ще не все – необхідно пізнати природу відкритого явища, спробувати впровадити його в практику, в життя людей.

– Що ж у крові людини є джерелом світла? – тим часом продовжує Олександр Іванович. Відомі біохімічні реакції, що відбуваються в організмі (а значить, і в крові) в результаті його життєдіяльності? Досліди показали: ні, енергія, що виділяється в них для цього занадто мала. Надслабке світіння живого організму відбувається за рахунок ліпідів — такий висновок професорі Б. Н. Тарусова та інших відомих біофізиків. Експерименти показали, що саме ліпіди піддаються вільно-радикальному окисленню в живому організмі. А що таке вільний радикал? Це молекула, осколок молекули або навіть атом у якого на зовнішній, валентної орбіті залишився один незв’язаний, вільний електрон. Частка з таким електроном дуже легко вступає в реакцію з собі подібними, утворюючи хімічний зв’язок і виділяючи при цьому надлишок електромагнітної енергії. Ось ці-то збуджені електронні стани і є, спрощено кажучи джерелами випромінювання, хемілюмінесценції.

Але так як вільно-радикального окислення найлегше піддаються жири жирні кислоти і ще деякі біологічно важливі молекули, то і світіння найбільш помітним буває саме в жирах і, завдяки їм, в сироватці, або плазмі крові. Білки ж і амінокислоти практично не володіють біохемілюмінесценцією.

Але як же все-таки вдається вловити це «невловиме» надслабке, метаболічне світіння крові? З’ясувалося, що сам процес «упіймання» випромінювання далеко не простий, тому що вимагає ретельного дотримання безлічі умов, необхідних для точного визначення інтенсивності світла, починаючи буквально з того моменту, коли голка шприца торкається вени тварини, щоб взяти 8-10 мілілітрів крові. Гранична стерильність, бо найменше забруднення крові обов’язково позначиться на характері світіння сироватки, або плазми. Стабільність температурних і механічних умов. Але найголовніше – захист взятого зразка від найменшого засвічування.

Сироватку отримують, додаючи в кров кілька крапель гепарину або піддаючи її центрифугуванню. Коли сироватка готова, її переносять до установки в спеціальному світлонепроникному контейнері. Якщо дослідження сироватки, або плазми передбачається проводити не відразу, то її зберігають в холодильнику при температурі 3-10 градусів, але не більше двох діб! Приступаючи до безпосередніх вимірювань, сироватку наливають в циліндричну кювету з пірексу і оточують водяною сорочкою, підтримуючи там температуру в 36-38 градусів Цельсія.

Потім все це спорудження поміщають у верхню частину світлонепроникної камери, причому так, щоб дно кювети з сироваткою знаходилося точно над катодом фотомножника — приладу, якому належить реєструвати світлові промені в плазмі, або сироватці. При цьому камера з сироваткою відділяється від камери з фотомножником особливим фотозатвором.

І ось все підготовлено до дослідження. Здавалося б, можна визначити світіння об’єкта, але… Адже до нього може приєднатися світіння всього, що оточує об’єкт,— хоча б тієї ж кювети або води! Отже, і це необхідно врахувати. Тому перші десять включень установки відводяться на те, щоб заміряти всі сторонні шуми. (Сам експонат на цей час закритий фотозатвором.) Всі десять вимірювань шумів минущих складаються і знаходиться їх середній результат. Він-то і буде виключений з показників приладу при вимірюванні світіння об’єкта.

– Відкриття надслабкого світіння дозволяє вивчати фізико-хімічні реакції в клітині без її руйнування, – говорить А. І. Журавльов. – Наша установка допомогла нам спостерігати світіння внутрішніх органів живих мишей і щурів. Більше того, вже доведено, що визначаючи інтенсивність світіння плазми, або сироватки крові людини, ми можемо допомогти лікарям в діагностиці багатьох хвороб.

Автор: В. Кірсанов.