На этот раз свет вновь удостоился Нобелевской премии: на этот раз мы научились с помощью света «включать и выключать» мозг.

5 октября по местному времени Каролинский медицинский институт Швеции объявил, что Нобелевская премия по физиологии или медицине за 2026 год присуждена за открытие в области оптогенетики — «управления мозгом с помощью света». За последние 125 лет свет уже в пятый раз удостоился высокой награды: от рентгеновских лучей, позволяющих увидеть кости, до синих светодиодов, освещающих миллионы домов, и сегодня — до синего светового пучка, напрямую воздействующего на нейроны. Это чёткая линия развития: познание света → понимание света → создание света → регулирование жизни с помощью света → управление жизнью при помощи света.

Первый поцелуй (1901): увидеть невидимое

Поздней ночью 8 ноября 1895 года в одной из лабораторий Вюрцбургского университета физик Вильгельм Рёнтген экспериментировал с катодной трубкой. Чтобы предотвратить утечку света, он плотно обернул её чёрным картоном. Но как только подали напряжение, он заметил, что расположенный в метре лист бумаги, покрытый люминофором, слегка засветился.

Как же свет пробрался сквозь чёрный картон?

В течение следующих шести недель Рёнтген жил и работал исключительно в лаборатории. Он обнаружил, что эти невидимые лучи способны проходить через дерево, книги и кожу, но задерживаются костями и металлом. 22 декабря 1895 года он попросил свою жену Берту положить руку на фотоплёнку и сделал первую в истории медицинскую рентгенограмму — контуры костей были чётко видны, а обручальное кольцо выделялось особенно ярко. Говорят, после этого Берта воскликнула: «Я увидела свою смерть».

【Иллюстрация 2: Рука госпожи Рёнтген】Подпись к изображению: 22 декабря 1895 года — первая в истории медицинская рентгенограмма — левая рука госпожи Рёнтген, где чётко видны кости и обручальное кольцо (историческая фотография, общественное достояние)

Не зная, что это такое, Рёнтген назвал это явление «X», используя символ неизвестного в математике. Именно это «неведение» открыло новое измерение человеческого познания: оказалось, что границы света гораздо шире, чем та узкая полоска, которую видит глаз.

【Иллюстрация 3: Электромагнитный спектр】Подпись к изображению: электромагнитный спектр — видимый свет составляет лишь узкий участок; рентгеновские лучи находятся на более коротких длинах волн

Стоит отметить один важный момент: Рёнтген не запатентовал рентгеновские лучи и даже пожертвовал премию первой Нобелевской премии по физике в 1901 году университету. Сегодня эта «бесплатная» находка спасает бесчисленное количество жизней — от компьютерной томографии в больницах до досмотра в аэропортах.

Второй поцелуй (1921): расшифровать «квантовое ядро» света

Рёнтген позволил человечеству увидеть новый тип света, а Эйнштейн помог понять его природу.

История начинается с одного «аномального» экспериментального явления. Учёные обнаружили, что при облучении металлической поверхности светом выбиваются электроны (это называется «фотоэлектрический эффект»), однако странность заключалась в следующем: даже очень яркий красный свет не выбивал электронов, тогда как слабый ультрафиолетовый свет делал это мгновенно; причём электроны вылетали мгновенно, без какой‑либо накопительной энергии.

Согласно господствующей сто лет теории о том, что свет — это волна, энергия волны передаётся непрерывно: если свет достаточно мощный и длительный, то электроны должны вылетать. Однако экспериментальные данные говорили об обратном, и классическая физика не могла объяснить этот феномен.

В 1905 году 26‑летний сотрудник патентного ведомства Альберт Эйнштейн выдвинул поразительную гипотезу: свет — это не непрерывная волна, а отдельные дискретные «энергетические пули», позже названные «фотонами». Энергия этих «пуль» зависит исключительно от частоты (цвета) света, а не от его яркости. Красный свет с недостаточной частотой подобен множеству мелких песчинок, которые не могут расколоть орех — сколько их ни было, ничего не получится; тогда как ультрафиолетовые фотоны с достаточной частотой способны выбить электрон одним ударом.

【Иллюстрация 4: Принцип фотоэлектрического эффекта】Подпись к изображению: модель «энергетических пуль» фотоэлектрического эффекта — энергия фотона зависит от частоты (цвета), а не от яркости

Эта гипотеза показалась даже экспериментальному физику Роберту Милликену слишком абсурдной; он потратил десять лет, пытаясь опровергнуть её, но в итоге лишь точно подтвердил формулу Эйнштейна — за что сам получил Нобелевскую премию в 1923 году.

Поэтому Нобелевская премия по физике 1921 года была присуждена именно Эйнштейну. Стоит отметить, что он получил её именно за фотоэлектрический эффект, а не за теорию относительности. Это открытие установило «дуализм волна–частица» для света и заложило основу всей квантовой механики. Сегодня солнечные батареи, камеры мобильных телефонов и оптоволоконная связь — всё это работает благодаря этой маленькой «частице света».

Третий поцелуй (2014): создать синий свет, освещающий мир

Первые две Нобелевские премии были связаны с «познанием света», а третья — с его «созданием», причём наиболее актуальным для каждого из нас.

Светодиоды (LED) уже давно не новинка: в 1950–1960‑е годы были созданы красные и зелёные светодиоды. Однако синие лампочки долгое время оставались нерешённой задачей для всего мира. Причина проста: без комбинации трёх основных цветов — красного, зелёного и синего — невозможно получить белый свет, а значит, светодиоды так и не смогут выйти на рынок освещения. В то время на рынке доминировали лампы накаливания с низкой световой отдачей и флуоресцентные лампы, содержащие ртуть.

【Иллюстрация 5: Как синий светодиод становится белым】Подпись к изображению: без синего света нет белого — сегодня основной подход к светодиодным лампам — синий чип плюс жёлтый люминофор

Основная трудность синего светодиода заключалась в материалах: требовался полупроводник под названием нитрид галлия, но его кристаллы крайне сложно выращивать — они часто содержат дефекты и легко ломаются. Крупные компании, такие как RCA, уже в 1970‑е годы отказались от этого проекта. Однако Ясуо Акасаки и Хироси Амано из университета Нагоя в Японии не согласились с этим: в 1986 году они сначала нанесли на сапфировую подложку «буферный слой» из нитрида алюминия, что позволило вырастить высококачественные кристаллы нитрида галлия; а в 1989 году им удалось решить проблему «p‑типа легирования», создав первый прототип синего светодиода, соответствующего требованиям по яркости. В небольшом японском городе Токусима компания «Ника Кэмикал», состоящая всего из двухсот сотрудников, инженер Сюдзи Накамура нашёл свой уникальный подход к модернизации оборудования и в 1993 году создал первый в мире высокояркий синий светодиод, первым выведя его на рынок.

В 2014 году Нобелевская премия по физике была присуждена этим троим учёным; в мотивационной части говорилось: «Изобретение высокоэффективного синего светодиода дало яркий и энергосберегающий источник белого света». Председатель жюри выразился предельно прямо: «Многие крупные компании пытались, но все потерпели неудачу — именно эти трое выстояли».

Сегодня светодиодное освещение экономит примерно на 80% больше электроэнергии, чем лампы накаливания, поэтому доля электроэнергии, расходуемой на освещение, во всём мире постоянно снижается. Этот поцелуй подарил нам жизнь в повседневной реальности.

Четвёртый поцелуй (2017): оказывается, свет «сверяет часы» у нас в голове

Если первые три поцелуя можно отнести к физике, то четвёртый перенёс внимание Нобелевского комитета с лаборатории на саму жизнь.

Почти у всех живых существ на Земле есть своего рода «биологические часы», которые совершают один оборот примерно за 24 часа: просыпаются с рассветом и засыпают с закатом. Но как именно свет влияет на эти часы? Лауреаты Нобелевской премии по физиологии или медицине 2017 года — Майкл Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг — раскрыли эту тайну, исследуя плодовых мушек.

История началась в 1971 году: учёные из Калифорнийского технологического института обнаружили у мушек мутацию: одни мушки имели ускоренные биологические часы, другие — замедленные, третьи — полностью отключённые — и всё это было связано с геном под названием period. В 1984 году Холл, Росбаш и Янг независимо друг от друга клонировали этот ген и затем собрали сложную «молекулярную шестерню»:

• Ночью ген period начинает производить белок PER, который накапливается;

• Накопившийся белок PER попадает в ядро клетки и, в свою очередь, «выключает» собственный ген — словно сам нажимает на тормоз;

• Днём белок постепенно разлагается, тормоз отпускается, ген снова включается, и начинается новый цикл дня;

• Ключевой элемент — другой белок TIM: он чувствителен к свету и распадается при его воздействии — именно он ежедневно ранним утром «обнуляет» биологические часы, давая им сигнал «сверить часы».

【Иллюстрация 6: Обратная связь биологических часов】Подпись к изображению: молекулярная шестерня биологических часов — белок PER накапливается ночью и сам себя тормозит, а утреннее освещение через распад белка TIM «сверяет часы»

Но как свет передаёт сигнал в мозг? В 2002 году учёные нашли ответ: помимо колбочек и палочек, отвечающих за зрение, в нашем глазу есть ещё третий тип светочувствительных клеток — ipRGC, содержащие пигмент меланопсин; они не участвуют в формировании изображения, а лишь сообщают главному офису биологических часов в мозге, причём наиболее чувствительны к синему свету длиной около 480 нанометров.

【Иллюстрация 7: Почему синий свет бодрит больше всего】Подпись к изображению: в глазу есть два типа светочувствительных рецепторов — колбочки, отвечающие за зрение, и ipRGC, чувствительные к синему свету (особенно к 480 нм)

Это объясняет парадокс современной жизни: почему, когда мы смотрим в телефон перед сном, становимся всё более бодрыми? Потому что синий свет экрана как раз попадает в диапазон около 480 нанометров — словно отправляет вашим биологическим часам ошибочный сигнал «сейчас день». Нарушения метаболизма, нарушения сна и даже повышенный риск заболеваний, вызванные бессонницей, сменой смен, перелётами через несколько часовых поясов — всё это происходит из‑за сбоя в этом световом ритме. Международное агентство по изучению рака ещё в 2007 году классифицировало «сменную работу, нарушающую циркадный ритм» как фактор риска категории 2A.

Для индустрии освещения эта Нобелевская премия имеет особое значение: свет — это не просто инструмент для освещения пространства, а «сигнал времени», регулирующий жизнь — именно на этом научном фундаменте строятся концепции «человекоориентированного освещения» и «здорового освещения» последних лет.

Пятый поцелуй (2026): с помощью одного луча света включить и выключить мозг

Сегодня, 5 октября 2026 года, Каролинский медицинский институт Швеции объявил, что Нобелевская премия по физиологии или медицине за текущий год присуждена Карлу Дэйсероту, Петеру Хегеману и Георгу Негелю за «открытия в области светозависимых ионных каналов и оптогенетики». Премия в размере 12 миллионов шведских крон (примерно 8,02 млн юаней) разделена поровну между тремя лауреатами.

История начинается с одноклеточной водоросли.

В 1990‑е годы Хегеман задумался над вопросом: почему водоросль хлорелла так быстро реагирует на свет? Человеческий глаз для восприятия света проходит через целую цепочку химических реакций, занимая минимум 10 миллисекунд, тогда как реакция хлореллы в 20 раз быстрее. Вместе с Негелем они наконец нашли ответ в самой водоросли — канал родопсин: белок, расположенный на клеточной мембране; при воздействии синего света его внутренние ионные каналы открываются как шлюзы, пропуская заряженные ионы внутрь клетки и непосредственно генерируя электрический сигнал. Это преобразование света в электричество происходит мгновенно, без каких‑либо химических передач.

Более того, они обнаружили, что если перенести ген этого белка в другие клетки, даже те, которые ранее никак не реагировали на свет, тоже получат «светочувствительный переключатель».

Дэйсерот взял на себя ключевую роль: в 2005 году он внедрил ген канала родопсина в нервные клетки крысы и успешно вызвал нервный сигнал синим светом; в 2007 году ему удалось добиться передачи синего света по оптоволокну прямо в живой мозг мыши, чтобы точно активировать конкретные нейроны — так родилась оптогенетика (optogenetics, «оптика + генетика»).

【Иллюстрация 8: Принцип оптогенетики】Подпись к изображению: оптогенетика — вживление в нервные клетки «светового переключателя» из водоросли; при воздействии синего света клетка мгновенно активируется

Революционность этой технологии заключается в том, что раньше, изучая мозг, учёные могли лишь «наблюдать» — увидеть, как загорелась определённая область мозга, и предположить, что она связана с каким‑то поведением, но не могли доказать причинно‑следственную связь. Теперь же они могут, словно нажимая на клавишу, точно включать или выключать определённые группы нейронов, напрямую проверяя, «что именно контролируют эти клетки». Как формируются воспоминания, как кодируется страх, как возникает зависимость, где находятся аномальные цепи при болезни Паркинсона и эпилепсии — за последние двадцать лет тысячи лабораторий по всему миру использовали этот «ключ от мозга» для раскрытия его тайны. Председатель Нобелевского комитета отметил: «Оптогенетика предоставила возможность составить карту мозга так, как мы всегда мечтали».

Эта технология уже выходит на клинический уровень: в 2016 году в Далласе женщина, страдавшая от пигментной дистрофии сетчатки, стала первой в мире пациенткой, прошедшей испытание оптогенетической терапии — в её остаточные клетки сетчатки был вживлён ген светочувствительного белка, чтобы искусственным световым сигналом заменить погибшие светочувствительные клетки. Конечная цель исследовательской команды — вернуть слепым способность «видеть».

【Иллюстрация 9: От освещения к диалогу с жизнью】Подпись к изображению: за 125 лет человечество прошло пятиступенчатый путь использования света

Оглядываясь на эти пять поцелуев, прослеживается чёткая линия развития:

• 1901 год — познание света — оказывается, за пределами видимого света существует целый мир;

• 1921 год — понимание света — свет — это дискретные квантовые «энергетические пули»;

• 2014 год — создание света — человечество впервые овладело эффективными и недорогими искусственными источниками света;

• 2017 год — регулирование жизни — свет ежедневно через глаза настраивает наши биологические часы;

• 2026 год — управление жизнью — свет становится точным переключателем, напрямую взаимодействующим с нейронами.

От «освещения мира» до «диалога с жизнью» роль света в руках человека кардинально изменилась. Для тех, кто всю жизнь работает со светом, это одновременно и лучший момент в истории, и приглашение: когда свет начнёт рассматриваться как «лекарство», которым можно назначать лечение, у людей, знающих свет, сцена станет только шире.

Примечание о перепечатке

Статья перепечатана из аккаунта в WeChat «Гуаньцзюй Цзюйгуань Лэлэ»; автор — «Сяоюй Шаньжэнь Сяоюй Фэн».