Свечение живого тела

О каком свечении пойдет здесь речь? Ведь о биолюминесценции — свечении живых организмов, рассказывалось выше. Явление, с которым познакомится сейчас читатель, существенно отличается от биолюминесценции. Развитие учения об ультрафиолетовом, невидимом свечении живого тела тесно связано с работами крупного советского ученого А. Г. Гурвича. Еще в 1923 г. он сумел доказать, что ткани растительного или животного организма, в которых происходит быстрое размножение клеток, являются источниками невидимого излучения. Если на пути пучка этих лучей поместить другой образец живой ткани, то и в нем под влиянием излучения деление клеток станет совершаться быстрее. Вновь открытые лучи Гурвич назвал митогенетическими, т. е. ускоряющими, вызывающими митоз — деление клеток.

Как пришел он к этому открытию, выдающееся значение которого становится ясным только сегодня, спустя полвека? Крупный цитолог и эмбриолог, посвятивший себя изучению развития организма из оплодотворенной яйцеклетки, Гурвич пришел к выводу, что формирование различных тканей, органов, систем происходит в зародыше из первоначально однородного зачатка не только в силу реализации наследственной программы развития, но и благодаря взаимному влиянию клеток эмбриона друг на друга.

Анализируя процесс клеточного деления — основу всех процессов роста и развития организмов, Гурвич установил, что он является следствием двух разных причин. С одной стороны, внутри клетки должны завершиться многочисленные сложные биохимические реакции, подготавливающие клетку к делению. В настоящее время мы внаем об этих процессах бесконечно больше, чем было известно полвека назад. До начала клеточного деления должен завершиться процесс самоудвоения молекул ДНК — основных носителей наследственной информации; только в этом случае каждая из дочерних клеток получит полный ее комплект. Кроме того, в клетке должен сформироваться специальный аппарат — веретено деления, который как бы растаскивает потом в противоположные стороны половинки разделившихся хромосом. Должна завершиться выработка всех необходимых для деления ферментных систем.

Одним словом, только завершение всех этих внутриклеточных, подготовительных процессов создает внутренние предпосылки для деления. Совокупность этих внутриклеточных причин Гурвич назвал «фактором готовности».

Но большой опыт цитолога и эмбриолога убеждал ученого, что дело не только во внутриклеточных процессах. Нередко клетка, полностью готовая к делению, сутками, неделями, месяцами прозябает в неподвижности, как бы ожидая команды извне. А клетки печени, нервных центров вообще делятся, только попав в особые, непривычные условия. Значит, наряду с внутренним «фактором готовности» для деления клетки нужен еще какой-то стимул, толчок извне. Гурвич назвал его «фактором осуществления».

Природа этого пускового агента на многие десятилетия приковала внимание ученого. Как истинный биолог-материалист, Гурвич не тратил времени на подыскание умозрительных, иррациональных объяснений, на поиски причин, лежащих вне ткани, вне организма. Почти сразу сложилась мысль: не есть ли «фактор осуществления» тот самый агент, с помощью которого клетки взаимодействуют между собой? Привычные представления о способах межклеточной связи не помогали: нервной системы, даже самой примитивной, у эмбриона еще нет. Химические взаимодействия возможны, но ими всего объяснить не удается. Напряженный поиск возможных механизмов привел к первой гипотезе.

В клеточной массе эмбриона, в быстро растущих тканях создается, по мысли Гурвича, своеобразное биологическое поле (аналог гравитационного, электромагнитного полей, существование которых служило в те годы предметом споров и дискуссий физиков), поле взаимодействия клеточных сил, формирующее дифференциацию клеток, образование из одного зачатка разных тканей, органов.

Если такое поле существует, значит при определенных конфигурациях пластов делящихся клеток силы взаимодействия должны выходить за пределы ткани, и их можно обнаружить. Такой ход рассуждений привел Гурвича к постановке опытов на корешках лука. Слои клеток, в которых идут процессы деления, изогнуты в корешке так, что, по мысли ученого, гипотетические силы биологического поля должны выходить за пределы корешка.

Как их обнаружить? Очевидно, удобнее всего использовать другой биологический объект: ведь природа и даже факт существования сил биологического поля еще не установлены, следовательно, для их обнаружения нельзя применять физические или химические методы. Решающий опыт Гурвич поставил в 1923 г.: ученый поднес к донцу корешка лука, где активно шли процессы деления клеток, другой корешок. Спустя некоторое время второй корешок был разрезан, покрашен и помещен под микроскоп. Внимательный глаз исследователя обнаружил на срезе удивительное явление: количество делящихся клеток в той половине препарата, которая была обращена к донышку первого корешка, увеличилось на 20—40% по сравнению с более удаленными клеточными слоями.

Многократно, с неизменным успехом, повторив опыт, Гурвич понял, что это не случайность, что делящиеся клетки (первого корешка) каким-то образом на расстоянии оказывают влияние на клетки другого растения, усиливая в них процесс клеточного деления. Вопрос о природе этого дальнодействия немедленно заинтересовал ученого. Изменяя расстояние, используя различные экраны и образцы размножающихся клеточных культур, Гурвич пришел к важным выводам. Некоторые растительные ткани выделяют в воздух летучие вещества, способные стимулировать или угнетать (в зависимости от концентрации) клеточные деления в бактериальных и других клеточных культурах. Известный советский биолог Б. П. Токин, посвятивший впоследствии изучению этих веществ всю жизнь, назвал их фитонцидами.

Однако в опытах Гурвича силы биологического поля выходили и из герметически закупоренного, даже запаянного сосуда с культурой делящихся бактерий, дрожжей и усиливали деление клеток корешка лука, если только сосуд был изготовлен из кварцевого стекла. Обычное стекло прерывало взаимодействие делящихся клеток, становилось непреодолимым препятствием для сил биологического поля. Но кварц отличается от стекла прежде всего способностью пропускать, не поглощая, ультрафиолетовые лучи. Так Гурвич пришел к убеждению, что силы биологического поля имеют электромагнитную, оптическую природу.

В распоряжении Гурвича не было достаточно чувствительных приборов для измерения количества излучаемого тканью невидимого света, для его объективной регистрации, количественной характеристики. И все же ученому удалось установить, что спектр митогенетического излучения лежит в пределах 1800—3260 А и что достаточно одного кванта этого излучения, чтобы вызвать деление клетки, завершившей внутреннюю подготовку к митозу. Невидимые лучи выделяются в виде короткой вспышки перед началом деления клетки. Излученная порция фотонов, поглощаясь соседними клетками, вызывает и в них невидимую вспышку, своего рода цепную реакцию, вторичное излучение.

Можно только поражаться, как удалось Гурвичу, опередив развитие науки на 30—50 лет, гениально предсказать и частично доказать (пользуясь примитивной с нашей сегодняшней точки зрения лабораторной техникой) не только существование митогенетического излучения, но его физическую природу и внутриклеточные источники энергии, оценить величайшее значение информации, выносимой из глубин клетки невидимым светом. Так, выяснилось, что импульс возбуждения, пробегающий по нервному волокну, сопровождается не только волной колебания электрического потенциала (так называемым потенциалом действия), но и волной ультрафиолетового излучения. Оказалось, что сильными излучателями являются клетки опухолей. Но зато в крови раковых больных появляется вещество, препятствующее излучению — так называемый раковый тушитель.

Гурвич пришел к убеждению, что энергия, необходимая для митогенетического излучения, освобождается в процессе нормальных обменных реакций, но непосредственный ее источник — побочные, в какой-то мере случайные продукты обмена — свободные радикалы. В наши дни твердо установлено, что главным источником энергии излучения живых тканей является взаимная нейтрализация перекисных радикалов — продуктов неферментативного окисления главным образом жироподобных веществ — липидов.

Исследования в новой области сулили много интересного. Но на пути их развития стояло серьезное препятствие. Световой язык клеток был настолько слаб, что физические приборы того времени не могли его зарегистрировать. Поэтому и в качестве источников и приемников (детекторов) излучения приходилось использовать биологические объекты — корешки лука, затем — дрожжевые культуры на твердых питательных средах. Учет эффекта производился визуально — по количеству делящихся клеток, и очень многое зависело от внимательности и добросовестности наблюдателя. Наконец, далеко не всегда эффект митогенетического излучения удавалось зарегистрировать. Если клетки ткани или культуры размножались быстро и беспрепятственно, толчок извне был лишним. Митогенетические лучи ускоряли деление только на фоне его задержки.

Отдельные энтузиасты-физики упорно работали над созданием приборов, достаточно чувствительных для регистрации митогенетических лучей. Такие приборы — «счетчики фотонов» — были созданы у нас Г. М. Франком и за рубежом французским физиком Р. Одюбером. В 1938 г. крупнейший советский физик-оптик, впоследствии президент Академии наук СССР С. И. Вавилов, так отзывался об этих работах: «Результаты чрезвычайно интересных исследований Одюбера… позволяют нам считать, что эмиссия ультрафиолета… при биологических процессах окончательно установлена обычными физическими методами. Эти исследования являются очень достоверным подтверждением важного открытия, сделанного Гурвичем в середине прошлой декады» [Цит. по: А. Г. Гурвич, Л. Д. Гурвич. Введение в учение о митогенезе. М., Изд-во АМН СССР, 1948.].

Но количество работ, в которых данные Гурвича не подтверждались или подвергались сомнению, также возрастало. В конце концов решающую роль сыграло общее несовершенство тогдашней лабораторной техники, регистрирующих оптических приборов. Нашлись в первые послевоенные годы люди, увидевшие в теории биологического поля проявление идеализма, припомнившие, что учитель Гурвича, выдающийся немецкий эмбриолог Г. Дриш в последние годы своей жизни стал открытым виталистом. В конечном счете интерес к исследованиям с митогенетическим излучением резко упал, а после смерти 'А. Г. Гурвича работы в этой области по существу прекратились.

Прошли годы. Далеко вперед шагнула радиоэлектроника, техника измерений. Появились новые высокочувствительные приборы — так называемые фотоэлектронные умножители (ФЭУ), соединяющие свойства фотоэлементов и усилителей тока. На новом методическом уровне стало возможно то, о чем долгие годы мечтал А. Г. Гурвич,— стала возможной надежная объективная регистрация ничтожных по своей интенсивности световых потоков, посылаемых отдельными живыми клетками.

В 1954 г. итальянские исследователи Л. Колли и У. Фаччини с помощью ФЭУ, охлажденных сухим льдом .(для повышения чувствительности), обнаружили свечение проростков некоторых растений. В 1958—1959 гг. ученые Московского университета Ю. А. Владимиров и Ф. Ф. Литвин доказали существование свечения живых тканей, которое они назвали сверхслабым. Начиная с 1961 г. широкие исследования сверхслабых свечений развернули там же Б. Н. Тарусов с сотрудниками, А. И. Журавлев и другие ученые. В наши дни работы в этой области ведутся очень широко, их количество возрастает с каждым годом. И дело здесь не только в создании чувствительной регистрирующей аппаратуры. Общий уровень развития биологии ныне столь высок, что она начинает свободно оперировать такими физическими понятиями, как свободные радикалы, хемилюминесценция, квантовый выход, понятиями, которые Гурвич одним из первых ввел в биологию.

Сверхслабое свечение клеток и тканей, подобно биолюминесценции, о которой шла речь в предыдущей главе, осуществляется за счет энергии окисления органических веществ. Но в люциферин-люциферазной реакции наличие специального фермента обеспечивает превращение в свет почти всей освобождающейся при окислении энергии. Поэтому-то дрожащий огонек светляка можно увидеть в темную ночь на расстоянии сотен метров. Сверхслабое свечение (которое для отличия от дюциферин-люциферазной реакции именуют биохемилюминесценцией) не имеет своего фермента, и его квантовый выход 10-5—10-6, т. е. лишь одна стотысячная часть энергии окисления липидов тканей высвечивается. Для регистрации этого излучения необходимы высокочувствительные фотоэлектронные умножители.

Процесс окисления липидов или фосфолипидов кислородом воздуха совершается с образованием промежуточных продуктов — перекисных радикалов и представляет собой цепную разветвленную, самоускоряющуюся реакцию. Если предоставить ее своему естественному течению, количество окисленных продуктов нарастает лавинообразно.

В организме эта реакция не может идти бесконтрольно: слишком важную роль выполняют в нем липиды — обязательная деталь мембран, основы структуры и функции клеток. В состав всех жиров наших тканей входят особые вещества — антиокислители (токоферол и др.), которые перехватывают и нейтрализуют радикалы, возникающие при окислении жиров, и постоянно удерживают процесс окисления на стабильном низком уровне. Этот механизм, как показали исследования Н. М. Эмануэля, Е. Б. Бурлаковой, А. И. Журавлева и других ученых, используется в организме для управления скоростью клеточных делений.

Дело в том, что свободные радикалы задерживают деление клеток. Чем выше в ткани количество антиокислителей, тем быстрее совершаются в ней митозы. Вероятно, поэтому быстро растущие опухоли накапливают большое количество ингибиторов — веществ, замедляющих процесс окисления жиров. Вот как далеко завело нас знакомство с биохемилюминесценцией. И, что особенно важно,— все эти и еще многие интересные факты о работе клеток нашего тела были раскрыты и изучены во многом благодаря анализу сверхслабого свечения тканей — тайного языка клеток, открытого А. Г. Гурвичем.

В 1939 г. в выступлении, посвященном памяти выдающегося советского ученого-биохимика Е. С. Лондона, Гурвич говорил, что есть два типа ученых. Открытия Одних проходят в момент, когда наука готова к ним, когда созрели условия для всеобщего признания их открытий. Другие — к ним Гурвич относил Лондона — это ученые, опередившие время, те несчастливые гении, которые не пользуются признанием современников. Такая нелегкая судьба выпала и на долю Александра Гавриловича Гурвича. Мысль его на полстолетия опередила время, и лишь сегодня его идеи, открытия и предвидения начинают сбываться, подтверждаются всем ходом науки.

И хотя сегодня большинство работ по изучению сверхслабого свечения ведется в видимой области спектра (ультрафиолетовое излучение тканей еще в тысячи раз слабее, чем видимое), нет сомнения, что ультрафиолетовое свечение тканей существует не как случайный побочный продукт реакции, а как способ общения между клетками, важный канал обмена информации. Недавнее открытие группы советских биологов во главе с В. П. Казначеевым из Новосибирска — еще одно доказательство этого.

Если культуру клеток заразить вирусом или ввести в среду ядовитую сулему, клетки погибают. Но если к гибнущей культуре поднести другую, здоровую, таким образом, чтобы их разделяла двойная стенка из кварцевого стекла, — в незараженной культуре с некоторым отставанием возникают изменения, зеркально повторяющие картину драмы, развернувшейся в зараженной культуре. Что это — случайность? Тысячи опытов утверждают, что в 90% случаев наблюдается зеркальный эффект. Но, быть может, вирус ухитрился проникнуть в соседнюю культуру? Проверка опровергает это допущение. В то же время замена кварцевой посуды стеклянной полностью прекращает описанное явление.

Итак, лучи — невидимые и безмерно слабые, но управляющие самыми интимными, сокровенными тайнами жизни! Волна излучения, возникающая в зараженной культуре на каждой последующей стадии процесса, точно воспроизводится культурой-детектором. Совершенная сигнализация, которая не только извещает об опасности, но и мобилизует на борьбу, зовет к отпору ж даже к чрезмерному перенапряжению сил, управляет жизнью и смертью клеток, их ростом и размножением.

То, что скептикам еще недавно казалось наполовину фантазией, наполовину ошибкой опыта, ныне установлено неопровержимо: луч света — активный участник и регулятор самых сложных жизненных процессов. Лучи из глубин клетки — новый и важный источник информации о ее состоянии и функциях. Научившись понимать язык клеток, ученые и врачи смогут раньше, точнее, эффективнее распознавать, а значит, и лечить больных. Обнаружение в крови ракового тушителя, возможно, окажется одним из надежных методов раннего выявления больных, а это, в свою очередь, сделает более действенным их лечение. Многое может дать для медицины и изучение причин появления тушителя в крови практически здоровых людей. Нет ли здесь указания на опасность возникновения рака в будущем?

Нужно научиться понимать световой язык клеток, читать и использовать ценнейшую информацию, исходящую из их глубин. Открытие, сделанное В. П. Казначеевым с сотрудниками,— еще одно доказательство плодотворности этого пути, начатого А. Г. Гурвичем полвека назад.