כל תא הוא אור קטן

בשיר “באנו חושך לגרש” כתבה הפזמונאית שרה לוי תנאי, “כל אחד הוא אור קטן”. האור בשיר משמש מטפאורה לטוב המרחיק את הרע מהעולם, אך מבלי לדעת, לוי תנאי גם תיארה תופעה ביולוגית ממשית: בכל תא חי מתרחשות תגובות כימיות שיוצרות הבזקי אור חלשים. האור הזה חלש מכדי שנוכל להבחין בו בעינינו, אך הוא מופיע ללא הרף ומשתנה בתגובה לתהליכים המתרחשים בתא.

בשנים האחרונות פותחו מצלמות רגישות במיוחד, שמסוגלות לזהות גם את ההבזקים הזעירים האלה. באמצעותן אפשר לעקוב אחר האור הנפלט בזמן אמת ולראות איך עוצמתו משתנה. מתברר שפליטת האור אינה קבועה: היא מתחזקת כשהתא חווה שינוי משמעותי בפעילותו, עומס חום או פגיעה אחרת, ונחלשת כשהמצבו מתאזן מחדש. כך מתקבלת תמונה עדינה של מה שמתרחש בתוך התא, גם כשאין כל סימן חיצוני לשינוי. האור הקלוש הזה מאפשר לזהות מצבי מצוקה ולהבחין בתהליכים שאלמלא כן היו נסתרים מן העין.

ביופוטונים מן החי?

יחידת האור הקטנה ביותר היא הפוטון, חלקיק שנושא כמות מסוימת של אנרגיה. כל אור, מהשמש הבוהקת ועד אורה העמום של מנורת קריאה, אפשר לתאר כשטף של פוטונים שנעים במרחב ונקלטים בעין. האנרגיה שפוטון נושא קובעת את צבע האור, וכמות הפוטונים שמגיעה אל העין מכתיבה על עוצמת האור הנקלטת.

בתאים חיים מתרחשת פליטת אור הרבה יותר עדינה. מקורם של הביופוטונים – פוטונים שנפלטים בתהליכים ביולוגיים – הוא בתגובות כימיות שמתרחשות בתא במהלך הפקת אנרגיה. בתהליך הנשימה התאית נוצרים תוצרי ביניים פעילים מאוד שנקראים רדיקלים. הרדיקלים הם מולקולות שאינן יציבות מאחר שיש בהם אלקטרון עודף, ולכן הן נוטות ליצור תגובות כימיות מהירות עם שומנים או חלבונים בתא. התגובות האלה מניבות תוצרים חדשים שלעיתים נושאים יותר אנרגיה מכפי שהם יכולים לשמור בצורה יציבה. עודף האנרגיה הזה אינו יכול להחזיק מעמד לאורך זמן, וכשהמולקולות חוזרות למצב יציב יותר הן פולטות בבת אחת את האנרגיה העודפת. במהלך המעבר הזה משתחרר פוטון יחיד. זהו הביופוטון.

בתהליך הזה, תאים פולטים פוטונים בודדים בעוצמה נמוכה במיוחד. שטף הפליטה הטיפוסי של תא חי נע בין עשרה פוטונים לאלף פוטונים לסנטימטר רבוע בשנייה. הרמה הזאת פחותה בהרבה מסף הקליטה התחתון של עינינו. לכן אפשר למדוד אותה רק באמצעות גלאים רגישים במיוחד, שמסוגלים לזהות אפילו פוטון יחיד.

כיוון שהביופוטונים נפלטים ברגעים שבהם מולקולות בתא משתחררות מעודף אנרגיה, הם משקפים את מידת הפעילות הכימית שמתרחשת בתא ברגע מסוים. כשחל בתא שינוי, כמו עלייה בפעילות או תגובה לגירוי, הרגעים האלה מתרבים ולכן מופיעות גם תבניות פליטה שונות. כך האור החלש מספק מידע על תהליכים פנימיים עוד לפני שהם מחוללים שינויים שאנו יודעים לזהות באמצעים רגילים.

למרות עוצמתם הנמוכה, ביופוטונים התגלו כמעט בכל מערכת חיה שנבדקה: צמחים, חיידקים, רקמות של בעלי חיים ואף תאי אדם.

פליטת אור מתא חי היא רק אחת מהדרכים שבהן חומר יכול לפלוט קרינה. בפיזיקה מוכרת תופעה כללית יותר, שקרויה קרינת גוף שחור. לפיה, כל גוף שהטמפרטורה שלו גבוהה מהאפס המוחלט פולט קרינה אלקטרומגנטית שתלויה רק בטמפרטורה שלו. גם גוף האדם פולט קרינה כזאת, בעיקר בתחום הגלים התת-אדומים שאינו נראה לעין. כך הביופוטונים משתלבים במערך רחב של תופעות שבהן חומר פולט קרינה.

מהבהובים מסתוריים לתמונה מדויקת

כבר בתחילת המאה העשרים החלו חוקרים להעלות את האפשרות שיצורים חיים פולטים אור. הבהובים חלשים תועדו סמוך לצמחים ולרקמות של בעלי חיים, אך בימים ההם לא הייתה אפשרות למדוד את האור ביעילות בהיעדר גלאים שיכולים לזהות פוטונים בודדים, אי אפשר היה לקבוע בוודאות אם האות הגיע מהרקמה עצמה, ממכשיר המדידה או מהסביבה, ולכן ההארה הביולוגית נשארה השערה בלבד.

חלפו עשרות שנים, עד שבמהלך שנות השבעים והשמונים החל להתגבש ההסבר לכימיה של פליטת האור, ומחקרים חשפו את הקשר בין תהליכי הפקת האנרגיה בתא לפליטת הפוטונים. התיאור הזה התאים לתצפיות הקודמות, שבהן נראתה פליטה חלשה שמשתנה בהתאם לרמת הפעילות הכימית של התא.

למרות ההתקדמות בהבנת התהליך, עדיין לא יכלו לקבוע בוודאות שמקור הפליטה הוא ביולוגי. השינוי הגיע עם פיתוח גלאים רגישים במיוחד ומצלמות CCD עם חיישני אור דומים לאלה שיש במצלמות דיגיטליות מסחריות. הדור הבא של חיישני המצלמות, שנקרא EMCCD, מסוגלות להגביר אותות חלשים מאוד ולסנן הפרעות וכך לאפשר זיהוי של פוטון יחיד. 

היכולת למדוד פליטה של פוטונים בודדים שינתה את מוקד המחקר. במקום לשאול אם הפליטה קיימת החלו לבחון אילו תהליכים היא משקפת. התברר ששינויים בעוצמת הפליטה, במיקומה ברקמה ובקצב הופעתה קשורים לתהליכים ביוכימיים כמו ירידה באספקת החמצן לתא.

התבססות יכולות המדידה אפשרה לבחון את התופעה באופן עקבי, בלי להיות תלויים במגבלות המכשירים. מדידות מדויקות חשפו שפליטת האור אינה תופעה אקראית, אלא שהיא משקפת שינויים בפעילות ברקמה. כך עבר המחקר מתצפיות חלקיות להסבר כימי ברור, ונוצר כלי שמאפשר לחקור תהליכים ביולוגיים בתא בזמן אמת.

דפוסי פליטה כמדד לשינויים ביולוגיים

במדע וברפואה מרבים כיום להיעזר בשינויים בסוגים אלה ואחרים של קרינה כדי לצפות מבחוץ ברקמות שבתוך הגוף ובתהליכים שמתרחשים בהן. שיטות דימות כמו צילומי רנטגן וסריקות הדמיית תהודה מגנטית (MRI) מבוססות על האופן שבו קרינה נבלעת מחומר או נפלטת ממנו, ומשקפות את מצבו הפנימי. פליטת ביופוטונים משתלבת כאן גם היא. ייחודה הוא בכך שהיא מאפשרת לעקוב אחר תהליכים עדינים במיוחד, בלי להפעיל לשם כך מקור קרינה חיצוני.

במחקר שפורסם השנה בחנו החוקרים שלוש מערכות ביולוגיות שונות, שכל אחת מהן מייצגת סוג אחר של שינוי: חיים לעומת מוות, תגובה לחום ופגיעה פיזית או כימית. כל המדידות בוצעו במצלמות שרגישות לפוטונים בודדים.

ראשית בדקו החוקרים מה קורה לפליטת האור בעקבות השינוי הפיזיולוגי הבסיסי ביותר: חיים מול מוות. אצל עכברים חיים התקבלה פליטה חלשה ויציבה של פוטונים מהתאים, שאופיינית לפעילות תקינה של מנגנוני התא. אחרי מותם של העכברים פליטת הפוטונים לא נעלמה מיד אלא דעכה בהדרגה, דבר שעשוי להעיד כי תגובות ממשיכות להתרחש בתאים למשך זמן קצר גם אחרי שהלב מפסיק לפעום.

כדי לשלול את האפשרות שהשינוי נובע מהבדלים בטמפרטורת הגוף של העכברים החיים והמתים, החוקרים וידאו שהטמפרטורה תישאר זהה בשני המצבים. עם זאת, החוקרים ציינו שהייתה מגבלה חשובה אחרת: העכברים החיים הורדמו לפני המדידה, ויש חומרי הרדמה שעשויים להשפיע על הפעילות הכימית בתאים ולכן על עוצמת הפליטה של הפוטונים. לכן נחוצים ניסויים נוספים שייעשו ללא הרדמה כדי לבטל לגמרי את ההבדל הזה בין העכברים.

בשלב הבא בחנו החוקרים איך צמחים מגיבים צמחים לטמפרטורה גבוהה. בטווח של 36-22 מעלות צלזיוס נראתה עלייה הדרגתית בפליטת הביופוטונים. העלייה הזאת משקפת האצה של תהליכי הפקת האנרגיה בתא – תופעה מוכרת בצמחים שנחשפים לחום מתון. אך בסביבות 36 מעלות חלה ירידה חדה בעוצמת הפליטה. זהו הרף שמעליו עלייה בטמפרטורה מפסיקה להאיץ את תהליכי הפקת האנרגיה בתאים ומתחילה לפגוע בתפקוד הרקמה. מדידות כאלה מאפשרות לזהות עומס חום עוד לפני שמופיעים סימנים חיצוניים כמו קמילה או פגיעה בעלים.

לבסוף בדקו איך פליטת האור מגיבה לפגיעה ישירה ברקמה. כשפצעו את עורקי העלים באופן מבוקר, נרשמה עלייה מקומית וברורה ברמת התאורה של התאים באזור הפגיעה. התגובה המהירה הזאת תואמת את העלייה בהפקת תוצרים כימיים פעילים בתאים בעקבות הנזק. היא ממחישה איך אפשר לזהות כך לא רק שינוי כללי ברקמה, אלא גם את מקומו המדויק של האזור הפגוע.

לאחר מכן בדקו החוקרים את השפעתם של חומרים כימיים שיוצרים בתאים מצב של מצוקה מבוקרת. מי חמצן חוללו עלייה ברורה בפליטת הפוטונים, אתנול (אלכוהול) העלה אותה באופן מתון יותר, והחומר המאלחש בנזוקאין הביא לעלייה החדה ביותר. נכון להיום לא ברורה הסיבה להשפעה החריגה של בנזוקאין, והחוקרים מציינים שהיא דורשת מחקר נוסף.

למרות ההבדלים בין שלוש המערכות, התקבלה תוצאה עקבית. הביופוטונים אינם נפלטים באותו אופן בכל מצב, אלא דפוסי הפליטה שלהם משתנים בהתאם למה שמתרחש בתוך הרקמה: חום, פגיעה, מצוקה ממקור כימי או שינוי במצב הרקמה לאחר המוות.

האתגרים במדידת ביופוטונים

בחינת רמת התאורה שפולטים תאים חיים היא כלי רגיש ולא פולשני, שמאפשר לראות שינויי פעילות ביולוגית בזמן אמת, עוד לפני שהם ניכרים מבחוץ בדרכים אחרות. עם זאת, למדידת ביופוטונים יש מגבלות משמעותיות. מאחר שהיא חלשה מאוד, היא רגישה להפרעות (“רעש”) שמקורן בחיישן עצמו או בשינויים שחלו בתנאי המדידה. נוסף על כך, עיקר הפליטה מתרחש סמוך לגבול שבין האור הנראה לקרינה העל-סגולה, ולכן נדרשות מערכות צילום שמסוגלות לזהות פוטונים בודדים ברמות האנרגיה האלה. הגבלה נוספת נובעת מהרגישות הגבוהה של כלי המדידה, שמחייבת להשתמש במערכות מדידה יציבות בתוך בסביבה מבוקרת היטב. על כן יהיה קשה לבצע ניסויים שמבוססים על מדידת התאורה התאית מחוץ למעבדה.

נכון להיום איננו מבינים לגמרי מה מקורם של חלק מדפוסי הפליטה – למשל העלייה החריגה בשטף הפוטונים בעקבות חשיפה לבנזוקאין. דרושה גם התייחסות להבדלים הרבים בפליטת הביופוטונים בין מינים, רקמות ואפילו בין תאים באותה רקמה. הפערים האלה מחייבים לבצע מדידות חוזרות ולהרחיב את היקף הדגימות, כדי לקבוע אילו תבניות פליטה יציבות ואילו מהן תלויות בנסיבות. לכן ביופוטונים נחשבים כיום כלי מחקר משלים בלבד: הם מספקים מידע עדין על תהליכים ביוכימיים בזמן אמת ובלי להזיק לרקמה, אך קשה להסיק מסקנות מהם לבדם.

ההבזק הזעיר שנפלט מתאים חיים אינו דומה כלל לאורם של נרות או לפידים, אך הוא מאפשר להציץ בתהליכים המתרחשים מעבר לסף הראייה שלנו. אין כמו חג החנוכה כדי להזכיר לנו שאפילו אור קטן שבקטנים יכול לשנות את התמונה, ובמקרה זה, ללמד אותנו על  תהליכים ביולוגיים שאיננו יכולים לראות באמצעים אחרים.

הביופוטונים אינם תופעה מסתורית, אלא ביטוי פשוט לכימיה שמקיימת את החיים. דווקא משום שהם עדינים כל כך, הם מרחיבים את יכולותינו לראות מה מתרחש בתוך הרקמה ולהבין איך תאים מגיבים לשינוי. האור הקלוש הזה אינו סמל – הוא חלק ממנגנון החיים עצמם.