Фотоны, вырабатываемые клетками, рассказывают о том, чем они заняты

Клетки общаются световым телеграфом

Российский физик Сергей Майбуров из Лаборатории элементарных частиц Физического института имени Лебедева РАН выяснил, что клетки могут общаться с помощью световых сигналов. Их мембраны ежесекундно испускают десятки фотонов, причем потоки имеют вид кратких периодических вспышек. Это похоже на двоичные сигналы, используемые для передачи данных.

Фото:

О том, что живые клетки способны испускать фотоны — частицы, являющиеся переносчиками электромагнитных взаимодействий, в том числе и света, было известно достаточно давно. Причем делают они это регулярно. Нейрофизиологи даже шутят, что стоит только выключить свет, так клетки организма сразу же включают свои "фонарики". На самом деле испускание фотонов вовсе не зависит от того, темно ли или светло вокруг организма.

До сих пор не совсем понятно, в результате каких именно биохимических реакций появляются эти самые биофотоны. Некоторые исследователи полагают, что сами фотоны образуются при каждом внутриклеточном процессе. На мембрану же они переносятся в форме экситонов — квазичастиц, представляющих собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по нему и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Так это или нет, сказать сложно, однако известно, что что на каждый квадратный сантиметр поверхности клеточной культуры ежесекундно производится нескольких десятков фотонов. Это достаточно мало — именно поэтому мы и не замечаем клеточного свечения, ведь для этого нужны десятки тысяч фотонов. Но вопрос в том, могут ли видеть их сами клетки? И если да, то какую информацию они могут извлечь из этих фотонных вспышек?

Читайте также:Светящиеся кошки против СПИДа

Выяснить это решил сотрудник Лаборатории элементарных частиц Физического института (ФИАН) имени Лебедева РАН Сергей Майбуров. В качестве объекта для наблюдений он избрал рыбьи икринки, и в течение длительного времени фиксировал паттерны "биофотонов", испускаемых их клетками. Опыты проводились в практически полной темноте. Ученый пытался установить, наблюдается ли в фотонных вспышках какая-нибудь упорядоченность. Если это удастся доказать, то тогда их следует считать не просто шумом, а коммуникативными сигналами.

В результате экспериментов Майбуров выяснил, что упорядоченность в испускании частиц есть. По мнению исследователя, потоки биофотонов формируются из кратких квазипериодических вспышек, по характеру очень напоминающих двоичные сигналы, используемые для передачи данных по крайне шумному каналу. Если это действительно так, то получается, что клетки при общении между собой действительно используют что-то вроде "светового телеграфа". Однако какую информацию они могут передавать?

Г-н Майбуров обращает внимание на ряд экспериментов, проведенных другими учеными. В одном из них было показано, что биофотоны, испускаемые одним растущим растением, почти на треть ускоряют скорость деления клеток в другом растении. Этот эффект был на несколько порядков сильнее, чем таковой, вызванный при помощи облучения растения обычным светом. Видимо, биофотонные сигналы оказались более понятны клеткам.

В другом эксперименте ученые обнаружили, что биофотоны, испускаемые растущей яйцеклеткой (опыты проводились на куриных яйцеклетках) может стимулировать рост других яйцеклеток примерно того же возраста. Любопытным оказалось то, что биофотоны зрелых яйцеклеток, наоборот, тормозили рост своих молодых "коллег". А в некоторых случаях вспышки, генерируемые готовыми к размножению половыми клетками, совсем останавливали рост незрелых яйцеклеток!

Все это говорит о том, что световые вспышки действительно используются клетками как средство общения, наряду с химическими агентами и звуковыми сигналами (о том, что клетки способны их издавать, читайте в статье "Наноухо услышит мысли бактерий о нас"). Однако в какой ситуации применяется этот "световой телеграф"? Эксперименты с яйцеклетками показали, что, видимо, его используют в тех случаях, когда процесс должен идти синхронно (как, например, при созревании половых клеток).

Более того, судя по всему, световые сигналы применяются тогда, когда клетка не может позволить себе тратить энергию на выработку химического коммуникативного агента. А это также происходит при делении и созревании половых клеток — в этих случаях вся энергия тратится на данные процессы. Кроме того, световыми сигналами удобнее пользоваться тогда, когда клетки находятся далеко друг от друга — ведь для химической коммуникации потребовалось бы произвести много вещества, потому что часть его, скорее всего, просто бы не дошла до "адресата". Получается, что использовать биофотоны экономичнее.

Существует ли какая-нибудь структура в клетке, которая занимается кодировкой этих световых посланий? Скорее всего, нет. Просто, испуская фотоны - побочные продукты биохимических внутриклеточных реакций, клетки как бы сообщают своим соседям, какие именно процессы сейчас в них происходят. Ну а соседи, получив эти послания, реагируют соответствующим образом. Например, молодые яйцеклетки, увидев, что рядом с ними находятся уже готовые к копуляции "коллеги", останавливают свой рост — ведь чем больше будет яйцеклеток, тем меньше у каждой шансов быть оплодотворенной, ибо количество сперматозоидов не бесконечно.

Итак, световые сигналы тоже используются клетками для общения. Однако пока многое остается неясным — например, несут ли биофотоны всегда одну и ту же информацию, или же она может быть разной в зависимости от ситуации. Кроме того, неясно, каким образом клетка принимает световой сигнал (есть ли определенные рецепторы или прием осуществляется всей поверхностью мембраны). Так что, по словам Сергея Майбурова, здесь ученым еще очень и очень много предстоит выяснить…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"