6 Minutės
Tyrimas rodo, kad matomas biophotonų spindėjimas nutrūksta mirus
Nauja eksperimentinė studija, atlikta Calgary universiteto ir Kanados Nacionalinio tyrimų tarybos mokslininkų, pateikia tiesioginius fizinius įrodymus, kad gyvi audiniai skleidžia labai silpną matomą šviesą, kurią pastebimai sumažėja po mirties. Pasitelkus jautrias žemo apšvietimo vaizdavimo sistemas, tyrėjų komanda matavo ultra silpną fotonų spindėjimą (UPE), dar vadinamą biophotonais, iš visų pelių kūnų ir iš dviejų augalų rūšių lapų. Rezultatai rodo, kad biologinė medžiaga generuoja neryškų regimą spindesį, susijusį su medžiagų apykaita ir ląstelių stresu, o šis spindesys smarkiai krenta, kai gyvybė nutrūksta.
Mokslinis kontekstas: kas yra biophotonai ir kodėl tai svarbu
Biophotonai ir chemiluminescencija
Biophotonai — tai be galo silpni šviesos spinduliai, atsirandantys spontaniškai biologinėse ląstelėse. Skirtingai nuo ryškios, gerai žinomos chemiluminescencijos (pvz., vėžlių arba švytinčių vabzdžių bioliuminescencijos), biophotonai yra daug silpnesni ir dažnai nepermatomi plika akimi; juos galima registruoti per plačią spektro juostą — maždaug nuo 200 iki 1000 nanometrų. Per kelis dešimtmečius mokslininkai užfiksavo šiuos blankius spindulius iš įvairiausių mėginių: nuo bakterinių kolonijų iki žinduolių audinių. Pastarieji duomenys praturtina lauką naujomis viso organizmo matavimo strategijomis, leidžiančiomis palyginti biophotonų elgesį skirtinguose biologiniuose kontekstuose.
Reaktyviosios deguonies rūšys kaip tikėtinas šaltinis
Pagrindinė paaiškinimo linija sieja biophotonų emisiją su reaktyviomis deguonies rūšimis (RDR arba ROS angl.). Esant ląstelėms stresui — dėl aukštesnės temperatūros, toksinų, infekcijos ar maistinių medžiagų trūkumo — tokios ROS kaip vandenilio peroksidas gali reaguoti su lipidais ir baltymais, sukeldamos elektroninius sužadinimus. Kai šios sužadintos molekulės grįžta į mažesnio energijos lygį, gali būti išskirtas pavienis fotonas regimojo spektro juostoje. Jei šis mechanizmas būtų patvirtintas plačiau, UPE matavimai galėtų tapti neinvaziniu ląstelių streso ar metabolinio aktyvumo indikatoriumi, suteikiančiu vertingos informacijos tiek fundamentiniams biologiniams tyrimams, tiek taikomajai diagnostikai.
Eksperimento eiga ir pagrindiniai atradimai
Siekiant patikrinti, ar UPE yra matomas ne tik atskiruose audiniuose, bet ir visame organizme, tyrėjai panaudojo elektroninį daugiklių krūvinį susijungimo įtaisą (EMCCD) ir standartinius CCD kamerų sensorius. Keturios anksčiau immobilizuotos pelės buvo po vieną dedamos į visiškai tamsią kamerą ir filmuojamos valandą būnant gyvomis, o vėliau buvo eutanazuotos ir filmuojamos dar vieną valandą. Svarbu pažymėti, kad po eutanazijos kūnai buvo palaikomi beveik kūno temperatūroje, kad būtų kontroliuotas šiluminio spinduliavimo poveikis UPE signalui. Tokiu būdu bandymas sumažino temperatūrinių pokyčių įtaką ultra silpnų fotonų registracijai.
Instrumentai buvo pakankamai jautrūs, kad užfiksuotų pavienius regimojo spektro fotonus, sklindančius iš gyvų ląstelių. Matuotas UPE skaičius reikšmingai sumažėjo po eutanazijos, o tai rodo aiškų skirtumą tarp gyvo ir negyvo būvio. Lygiagrečiuose augalų eksperimentuose, atliktuose su Arabidopsis thaliana (paprastoji kerpiuotė) ir Heptapleurum arboricola (mažoji skėtinė palmė) lapais, gauti papildomi pastebėjimai: fiziškai pažeistos arba chemiškai stresuotos lapų sritys skleidė daugiau matomų fotonų nei nepažeista audinio dalis. Tai stiprina hipotezę, kad ląstelių pažeidimas ir su tuo susijęs ROS padidėjimas koreliuoja su didesne UPE emisija.
Tyrėjų komanda pateikia detales: per visą 16 valandų vaizdavimo laikotarpį sužalotos lapų dalys buvo reikšmingai ryškesnės nei sveikos dalys. Be to, stebėtos temporalinės dinamikos — po pirminio traumavimo emisija dažnai didėja per kelias minutes ar valandas, o vėliau palaipsniui silpsta, priklausomai nuo audinio regeneracijos gebėjimo arba tolimesnio oksidacinio proceso. Tokie laiko priklausomi modeliai suteikia papildomą sluoksnį informacijos, leidžiantį atskirti greitai atsirandančius streso atsakus nuo lėtinių būklių.
Pasekmės, iššūkiai ir tolimesnės perspektyvos
Galimybė nuotoliniu būdu ir neinvazyviai stebėti ląstelių stresą turi aiškią vertę medicinoje, žemės ūkyje ir mikrobiologijoje. Klinikiniuose kontekstuose UPE vaizdavimo technikos teoriškai galėtų identifikuoti audinius, patiriančius oksidacinį stresą, dar prieš atsirandant akivaizdiems simptomams, leidžiant ankstyvesnę intervenciją. Žemės ūkyje greita augalų streso ar ligų detekcija per biophotonų registraciją galėtų padėti optimizuoti laistymą, tręšimą ir ligų kontrolę, taupant išteklius ir mažinant praradimus. Mikrobiologijoje UPE signalai galėtų būti naudojami tiesioginei kultūrų sveikatos ar metabolinio aktyvumo stebėsenai be dažnų mėginių ėmimo ir pažeidimo.
Vis dėlto yra nemažai techninių ir interpretacinių kliūčių. Ultra silpni signalai lengvai pranyksta fone dėl aplinkinio elektromagnetinio triukšmo arba terminio infraraudono spinduliavimo iš šilto audinio. Reprodukuojamumui tarp laboratorijų reikia griežtų tamsos sąlygų, itin jautrių detektorių (pvz., EMCCD arba naujų sritis beriančių fotonų daugiklių) ir patikimos statistinės analizės, kuri atskirtų realius biologinius signalus nuo instrumentinių arba aplinkos artefaktų. Be to, reikalingos standartizuotos procedūros: jautrumo kalibravimas, ilgo laiko fono nustatymas, kontrolės eksperimentai su chemikalais, neutralizuojančiais ROS, ir kryžminiai patikrinimai skirtinguose organizmuose bei sąlygose. Laikantis tokių procedūrų, laukas taps patikimesnis ir palankesnis praktiniams pritaikymams.
Taip pat būtina saugotis sensacingų interpretacijų, kurios galėtų atgaivinti nepagrįstas prielaidas apie aurų ar paranormalias švytėjimo sąvokas. Mokslas reikalauja griežtų raiškiklių, pakartojamumo ir mechanistinio paaiškinimo — tik taip UPE gali būti priimtas kaip patikimas indikatorius. Kartais žiniasklaidos pranešimuose ir populiariuose šaltiniuose biophotonai sureikšminami neteisingai, todėl mokslininkai turi aiškiai atskirti empirinius faktus nuo hipotezių bei plačiai paaiškinti apribojimus.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Moreno, biophotonikos tyrėja ir mokslo komunikatorė, komentavo: „Šis tyrimas prideda svarbių eksperimentinių duomenų, parodančių UPE skirtumus tarp gyvų ir negyvų audinių. Viso organizmo vaizdavimo ir lygiagretūs augalų bandymai sustiprina biologinį interpretavimą. Tačiau norint perkelti šiuos atradimus į praktines diagnostines taikymas, reikės pažangos signalo iki triukšmo santykio valdyme ir standartizuotų protokolų, pritaikytų skirtingiems organizmams ir sąlygoms.“
Ji pridūrė, kad ateityje būtų prasminga integruoti UPE vaizdavimą su kitomis neinvazyviomis technologijomis — pavyzdžiui, termo-kameromis, fluorescenciniu žymėjimu arba metabolinių žymenų sensoriais — tam, kad būtų gaunamas platesnis vaizdas apie audinio būklę. Toks daugialypis požiūris gali padėti atskirti skirtingas biologines priežastis, generuojančias panašius UPE signalus, pvz., fizinį sužeidimą nuo uždegimo ar metabolinio disbalanso.
Išvados
Pranešti stebėjimai sustiprina idėją, kad gyvos ląstelės skleidžia labai silpną regimą švytėjimą, susijusį su medžiagų apykaita ir stresu, ir kad šis spindesys susilpnėja po mirties. Nors biophotonų koncepcija vis dar susilaukia diskusijų, kruopščiai kontroliuojami vaizdavimo eksperimentai su jautriais detektoriais atskleidė nuoseklius skirtumus tarp gyvų ir negyvų audinių tiek gyvūnuose, tiek augaluose. Jei ši idėja bus toliau validuojama ir tobulinama — įvedant standartus, geresnę aparatūrą ir platesnius kryžminius patikrinimus — UPE vaizdavimas gali tapti nauju neinvazyviu įrankiu ląstelių sveikatai stebėti. Vis dėlto iki klinikinių ar žemės ūkio pritaikymų reikia reikšmingų techninių ir metodologinių pastangų, kartu aiškiai apibrėžiant biologinį mechanizmą ir praktinius ribotumus.
Šaltinis: pubs.acs
Komentarai