Нобелевка по химии: как прозрело человечество

Психология зрительного восприятия может обсуждаться до сих пор, а вот процессы, в ходе которых окружающие нас предметы передают нам информацию о своем размере, форме и цвете, изучены вдоль и поперек. Помимо механизмов распространения света, давно установлены и пределы возможностей познания с помощью света, то есть размер самого маленького предмета, который может быть увиден в оптический микроскоп. Однако больше, чем устанавливать границы, ученые любят только нарушать их. Но обо всем по порядку.

1

Разница лишь в длине волны, которая и определяет ее свойства. Длинноволновые инфракрасные волны позволяют вам ощущать тепло от солнца, а коротковолновые рентгеновские знакомы по снимкам ваших костей. Для каждого вида волн необходима своя антенна, с помощью которой эти волны можно уловить и обработать. В процессе эволюции мы обзавелись антенной для волн с длинами от 350 до 700 нанометров и по понятным причинам назвали этот диапазон «оптическим», или «видимым».

Самые наблюдательные из вас давно могли заметить, что днем видеть несколько легче, чем ночью. Виной тому звезда с термоядерной реакцией внутри, непрерывно излучающая световую энергию. Эта энергия также распространяется в виде электромагнитных волн, и именно это позволяет ей проходить сквозь космический вакуум прямо до поверхности горячо любимой нами планеты. Волны отражаются от предметов, сохраняя в себе информацию о них, а затем попадают на сетчатку нашего глаза, где поглощаются светочувствительными фоторецепторами — колбочками — и преобразуются в нервное возбуждение.

...

За десятки тысяч лет эволюции глаза человека изменились таким образом, чтобы лучше различать предметы, с которыми он сталкивался.

2

Мутация была вызвана переходом к дневному образу жизни среди деревьев и позволила лучше распознавать листья растений и их плоды. Помимо тех, что «отвечают» за зеленый, в глазе содержатся колбочки чувствительные к красному и синему цветам. Любой полученный глазом световой импульс раскладывается на три составляющих и преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал отправляется в мозг, где из множества фрагментов собирается картинка, которую мы в конечном итоге видим.

3

Это было одним из первых адекватных по современным меркам объяснений нашей способности видеть без привлечения теории религиозных чудес. Тогда же поняли, что свет совсем не обязательно должен распространяться вдоль одной прямой и существует множество возможностей искривления его траектории, с которыми человек не сталкивается в повседневной жизни.

Вместе с развитием теоретических знаний о свете появились люди, желающие использовать новые знания в самых разных областях прикладной науки. Голландскими учеными был изобретен микроскоп, навсегда изменивший представление людей о мире. Человек, ранее способный созерцать лишь макрообъекты, обрел инструмент, открывший двери в мир микроскопический. Создав увеличительные стекла достаточной силы, он увидел красные кровяные тельца, бактерии и сперматозоиды, а увидев, нашел и объяснение их существованию. Но, в отличие от границ человеческого любопытства, границы микроскопии довольно четко определены.

На начальных этапах развития микроскопии наблюдалось что-то вроде закона Мура для процессоров: с каждым годом разрешающая способность микроскопов увеличивалась, позволяя рассмотреть все более и более мелкие предметы. Но в определенный момент появился человек, который сказал буквально следующее:

4

Свои мысли автор обосновал теоретической статьей. Разумеется, реакция публики была неоднозначной, нашлось множество выскочек, которым ограничение их возможностей на бумаге показалось немыслимым. Однако дифракционный предел, позднее получивший имя автора статьи — Аббэ, так и не был преодолен. «Дифракционным» он зовется потому, что, взаимодействуя с объектами, размер которых меньше этого предела, свет перестает распространяться прямолинейно, а это значит, что получить из него какую-либо информацию становится более чем затруднительно.

С точки зрения точной науки Аббэ теоретически связал возможности оптического микроскопа с длиной волны видимого для нас света. Предел приблизительно равняется половине минимальной длины света, которую среднестатистический человек способен разглядеть. Вы, к примеру, не можете, ощупывая руками темную комнату, различать муравьев или найти иголку. Потому что ваши руки созданы для того, чтобы работать с объектами им соразмерными. Со светом та же история: «ощупывая» неизведанную поверхность светом с длиной волны около 400 нанометров, вы не можете различить объекты, размеры которых намного меньше этой длины волны. А свет с меньшей длиной волны вы просто не сможете увидеть, потому что ваш глаз устроен вполне определенным образом. Выходит, что фундаментальный предел возможностей микроскопии, обнаруженный Аббэ, обусловлен устройством органа, с помощью которого мы воспринимаем зрительные сигналы.

5

Нобелевскую премию по химии в этом году вручили ученым, предложившим несколько способов преодоления дифракционного предела. Каждый из них может поделиться историей о возникновении идеи преодоления предела, об осуждении со стороны академического сообщества на начальных этапах, о торжестве справедливости и последствиях упорного труда, но обсуждение самих методов куда интереснее. К концу XX века для обхода предела Аббэ все тривиальные способы уже были опробованы. Так что чем больше идея походила на сумасшествие, тем больше у нее было шансов на успех. Так, собственно, и вышло.

Оба метода так или иначе связаны с явлением люминесценции, поэтому сначала пополним наш словарный запас. Дело в том, что молекулы могут отвечать на возбуждение излучением света, и это свойство как раз и называется «люминесценция». С точки зрения люминесценции молекулы намного проще женщин, потому что на любой раздражитель они отвечают одинаково — излучением света. А самым простым способом возбудить молекулу для современного ученого является облучение лазером. Ответ светом на свет называется «фотолюминесценцией», и это явление лежит в основе новых методов оптической микроскопии.

6

Но человек всемогущ и, возбудив молекулу одним лазерным пучком, может тут же успокоить ее, погладив по голове другим.

А теперь представьте, что мы мощным лазерным лучом варварски облучаем все молекулы, которые хотим рассмотреть. В запутанном потоке излучения от всех молекул сразу невозможно различить что-либо. Но мы начинаем успокаивать, расслаблять, тушить все молекулы вторым лазерным лучом с очень узким пучком. Если второй луч действительно узкий, а вся ваша техника может управлять его движением с хорошей точностью, вы получите возможность потушить всю люминесценцию, кроме маленького пятна, размеры которого ограничены не дифракционным пределом, а диаметром лазерного пучка и точностью его позиционирования.

7

Повторив эти действия в заданной последовательности множество раз, вы получаете карту, на которой отмечены точки, где молекулы присутствуют. Разрешение, достигаемое методом STED-микроскопии, может значительно превышать известный предел Аббэ.

Второй метод обходит предел с другой стороны. Образец снова должен состоять из множества люминесцирующих молекул, а мы снова должны их возбуждать. Но возбуждать импульсами настолько слабыми, чтобы светиться начинала только малая их часть. Повторяя процедуру и каждый раз фотографируя вспышки света, мы получим серию фотографий, на которых каждая люминесцирующая молекула будет содержаться хотя бы один раз.

8

Можете представить себе огромный дом с множеством окон, и некоторые из них расположены так близко друг к другу, что вы не можете их различить. Иллюстрацией метода мономолекулярной микроскопии станет фотографирование дома в момент, когда горит лишь несколько окон в разных частях здания. Повторяя эти действия многократно, вы добьетесь того, что каждое окно окажется зажженным по крайней мере на одной фотографии. После наложения полученных фото друг на друга вы сможете получить картину всех окон в доме, даже если раньше не могли их различить.

9

Спустя 10 лет он случайно узнал о существовании нового вещества, с помощью которого его идея (при незначительном ее изменении) могла быть воплощена в жизнь. Триумфальное возвращение, преодоленный предел, Нобелевская премия в кармане. Можно возвращаться в бизнес с высоко поднятой головой.

Уже в самом слове «микроскоп» содержится ссылка к пределу: прибор существует для исследования объектов размерами в микрометры. Но после открытия описанных методов микроскоп стал «наноскопом», что может обрадовать по крайней мере Дмитрия Медведева.

Стоит упомянуть, что предел в разрешении микроскопии преодолевали и раньше, но не с помощью света, а другими методами. Например, прощупывая поверхность пучком электронов, размер которых намного меньше, чем половина длины волны видимого света. Но инструмент этот не был универсален хотя бы потому, что пучок электронов убивал все живое на своем пути.

10

Тот, кто еще не бросил чтение, должен задаться вопросом: новые методы позволяют преодолеть дифракционный предел только для люминесцирующих молекул — разве это не ограничивает сферу их применения? Ответом, конечно же, будет «нет» — иначе Нобелевская премия досталась бы кому-нибудь еще. Правильно подбирая люминесцирующее вещество, мы можем помещать его в строго определенные области живых клеток. Например, зеленый светящийся протеин связывается с клеточными мембранами — с его помощью впервые стало возможным в буквальном смысле разглядеть форму и размер этих самых клеточных мембран. Лауреаты премии до сих пор ведут исследования: в данный момент один из них изучает процесс деления клеток в эмбрионах, другой наблюдает за живыми нейронами, а третий исследует синдром Хантингтона — неизлечимое на данный момент заболевание нервной системы. И это только несколько примеров.

Несмотря на всю сложность описанных методов, возможности, которые они открывают, поистине колоссальны. С каждым годом благодаря новым способам оптической микроскопии мы получаем сведения о строении белков и других биологических структур.

11

Со временем эти виды микроскопии будут становиться все более доступными, что позволит совершить еще больше захватывающих открытий. И возможность совершать эти открытия появилась благодаря людям, преодолевшим фундаментальный предел возможностей микроскопии и в буквальном смысле расширившим границы человеческого познания.

blog comments powered by Disqus

Добавить комментарий



Последние посты