Новосибирский лазер на свободных электронах умеет генерировать терагерцовое излучение, которое есть в космосе, но не проходит через атмосферу нашей планеты, поэтому не представлено на Земле. Однако земные организмы оказались к нему чувствительны. Как оно воздействует на живые клетки и ткани, исследуют сибирские ученые.

"В 1930-х годах считалось, что у животных клеток есть некие резонансные частоты, лежащие в терагерцовой области, и если создать источник такого излучения, он будет рассыпать живые организмы на составляющие. Теория не подтвердилась, мы сейчас спокойно работаем с терагерцовым диапазоном, однако какой биологический объект под него ни помести, есть все основания ждать необычных проявлений", - рассказывает старший научный сотрудник лаборатории лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН кандидат химических наук Александр Сергеевич Козлов.

Когда ЛСЭ только запустили, один из сотрудников постоянно проверял, появился ли луч, подставляя под него руку (терагерцовое излучение визуально не видимо, о его наличии судили только по присутствию тепла). В итоге на этой руке возникла небольшая миогенная контрактура - повреждение мышечной ткани, связанное с укорачиванием и уменьшением растяжения мышцы.

Одним из первых в Новосибирске изучать влияние терагерцового излучения на живые клетки начал заведующий лабораторией биомедицинской информатики Института вычислительных технологий СО РАН доктор биологических наук Александр Савельевич Ратушняк: "Все получилось довольно случайно. Коллега из Института лазерной физики СО РАН предложил посмотреть, как ведут себя под терагерцовым излучением нейроны, с которыми я работаю. Я был в полной уверенности, что ничего интересного из этого выйти не может, ведь низкоинтенсивные радиоволны на биологические свойства сильно не влияют, инфракрасное излучение тоже. Однако в первом же эксперименте обнаружились странные эффекты, которые раньше никогда не наблюдались".

Если нейроны извлечь из организма и поместить в питательную среду, они начинают передвигаться, собираться в группы и создавать таким образом новую нейронную сеть. Для этого у них появляются специальные отростки. После воздействия терагерцового излучения нейроны некоторое время лежали неподвижно, а потом вместо отростков стали обрастать странными щупальцами, совершенно для них нетипичными. Кроме того, они старались поскорей исчезнуть из зоны облучения.

"Потом у меня возникло подозрение: вдруг какие-то резонансы действительно возникают? Для меня нейрон - это информационная машина, работающая на молекулярном уровне. Если бы удалось найти частоты, действующие на определенные элементы этой машины, то можно было бы ею как-то управлять", - отмечает Александр Ратушняк.

Например, терагерцовое изучение может быть перспективным с точки зрения того, чтобы внедрить в клетку ген или какой-нибудь другой макромолекулярный агент, не прибегая к внешнему воздействию на нее электричеством, вирусами или химикатами. При терагерцовом облучении в клетке образуются поры, через которые в нее можно ввести все необходимое.

"На Земле такого излучения нет. Оно не попадает сюда из космоса, не проходит через атмосферу и нигде, кроме нескольких научных установок, не производится. С одной стороны, земные организмы должны быть к нему непривычны, а с другой - есть литературно описанные предположения разной степени обоснованности о том, что внутри организма такие частоты могут играть существенную роль: в процессе репликации ДНК, дыхания, элементарных генетических действий", - говорит Александр Козлов.

Насколько терагерцовое излучение опасно для людей - один из ключевых вопросов, которые предстоит решить. Ведь планируются его обширные технологические применения: в сканерах, пунктах досмотра в аэропортах и прочем.

После уже упомянутого случая с возникновением на руке ученого контрактуры (к счастью, обратимой) заведующий отделением томографии диагностического центра Aperto Евгений Леонидович Зеленцов решил, что наступила пора посмотреть, как терагерцовое излучение будет воздействовать на различные ткани организма.

"Если коллеги старались их не разрушить, у меня, наоборот, была задача посмотреть, как это все будет себя вести на мощных полях. Было известно, что глаза надо защищать, поскольку при длительном излучении возникает катаракта, а вот как оно влияет на другие ткани, никто сказать не мог", - рассказывает Евгений Зеленцов.

Когда исследователи облучили сфокусированным лучом скелетные мышцы крысы и курицы и посмотрели, что получилось на электронном, оптическом и СО2-лазерах, они увидели: мышечные волокна закрутились в спирали, будто вермишель. В них появились разрывы - как большие, регулярные, направленные поперек волокон, так и на микроуровне. Характер повреждений показал, что терагерцовое излучение ведет себя не как свет, а скорее как звук, а результат его воздействия на мышцы похож на минно-взрывную травму.

Затем ученые провели большую серию экспериментов на эритроцитах. Кровь - это тоже ткань (ее ученые для исследований самоотверженно жертвовали сами). Поскольку эритроциты в ней очень концентрированы, и индивидуально рассмотреть их весьма сложно, кровь разбавляли физраствором. Результат также оказался неожиданным. Обычно при повреждении ткани эритроциты имеют свойство слипаться (чтобы быстрее заживить рану), при облучении терагерцем же это слипание проходило гораздо медленнее либо вообще шел обратный процесс.

"Все время говорилось, что в жидкость терагерцовое излучение не проникает никаким образом, гасится на первых же микронах, и когда мы получили эти данные, сразу возник вопрос: за счет чего происходит воздействие? Если свет туда не попадает, что же тогда?", - говорит Евгений Зеленцов.

Предположили, что здесь работает открытый в 1980-х годах оптико-акустический эффект. Как только излучение попадает в водную среду, тут же возникают огромные по мощности ультразвуковые волны - короткие и сильные импульсы, которые со скоростью порядка пяти миллионов раз в секунду ударяют по ее поверхности.

Ученые провели опыт, подобный эксперименту с эритроцитами, со сливками (им удалось из творога получить обратно "молоко") и услышали в этой среде звук, который получается от поглощения жидкостью лазерных импульсов. Так возникло следующее предположение: оптико-акустический эффект, вероятно, отвечает и за возникновение пор в клетках при их обработке терагерцовым излучением.

Яркий отклик на терагерцовое излучение продемонстрировали и пленки обычного репчатого лука. Несмотря на то, что растительная клетка очень плотная и дополнительно усилена целлюлозой, на этой пленке появляются шаровидные внешние вспучивания, которые ученые смогли разглядеть с помощью атомно-силового микроскопа.

Изучив мембрану эритроцитов на силовом сканирующем микроскопе, исследователи выяснили, как разрушается мембрана, и подтвердили свою догадку. "Под воздействием терагерцового излучения она начинает выкручиваться, деформироваться, возникают разрывы, вспучивания, некоторые поры расширяются - почему именно они, вопрос сложный, - говорит Евгений Зеленцов. - Это излучение не очень мощно, незаметно воздействует на организм. Мы только-только подошли к вопросу его изучения, но совершенно отчетливо видно: если буквально на две секунды поместить в фокус зеркала руку, у тебя где-то чуть-чуть порвется мышца, где-то - связка, будет затронуто сухожилие, именно таким образом у одного из нас и появилась контрактура".

В ближайшее время совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН на чистых клеточных линиях исследователи планируют продолжить изучать, каким образом под воздействием терагерцового излучения ломаются некоторые молекулярные механизмы.

Диана Хомякова

Похожие новости

  • 28/01/2016

    Программа празднования Дней российской науки в СО РАН

    ​​8 февраля — День российской науки. Во всех научных центрах Сибирского отделения РАН с 8 по 12 февраля состоятся праздничные мероприятия. В Дни открытых дверей в институтах можно будет посетить научные лаборатории, увидеть уникальное оборудование и приборы, послушать лекции по актуальным вопросам науки, побеседовать с ведущими учеными, посмотреть фильмы о науке.
    2832
  • 14/06/2018

    В СО РАН продолжается обсуждение проектов развития исследовательской инфраструктуры ННЦ

    ​Проект Сибирского национального центра высокопроизводительных вычислений, обработки и хранения данных (СНЦ ВВОД) представил заместитель председателя СО РАН академик Павел Владимирович Логачёв. «В современных исследованиях во всех областях знаний научные данные являются ключевым драйвером, — подчеркнул координатор проекта.
    283
  • 15/12/2016

    2,4 га будут переданы сотрудникам 30-ти институтов Сибирского отделения РАН

    ​В Новосибирской области на территории Академгородка, одного из важнейших научных центров России, к 2021 году будут построены три многоквартирных жилых дома для 311 работников 30 институтов Сибирского отделения Российской академии наук, являющихся участниками жилищно-строительного кооператива "Бозон".
    1622
  • 14/09/2017

    10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов»

    ​18-20 декабря 2017 года в новосибирском Академгородке (ИАиЭ СО РАН) состоится 10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов». О конференции Всероссийская конференция "Физика ультрахолодных атомов" является ежегодным научным форумом, имеющим целью обсуждение новых теоретических и экспериментальных результатов в области лазерного охлаждения атомов и ионов, оптических стандартов частоты, ультрахолодных Бозе- и Ферми-газов, нелинейной лазерной спектроскопии.
    1340
  • 13/10/2016

    Все ближе к разгадке гравитационных волн

    ​Группа исследователей из Московского государственного университета, Института ядерных исследований РАН и Института лазерной физики СО РАН работают над созданием оптико-акустического гравитационной антенны, которая будет регистрировать гравитационные волны от нейтронных звезд.
    1097
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    1330
  • 04/04/2018

    Подведены итоги оценки результативности научных организаций

    454 организации разделили по трем категориям. Чем отличились сельскохозяйственные институты, чему Минздраву стоит поучиться у ФАНО и в каком регионе больше всего институтов из третьей категории, читайте в материале Indicator.
    929
  • 27/07/2017

    Учёные ИЛФ СО РАН разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения

    Исследователи из Института лазерной физики СО РАН развивают метод импульсной терагерцовой спектроскопии для диагностики сахарного диабета по характеристикам воды в плазме крови. Также учёные работают над созданием технологии неинвазивного определения этого заболевания.
    711
  • 12/12/2016

    Молодые учёные СО РАН стали победителями конкурса Европейской Академии

    Конкурс завершился 14 ноября 2016 года присуждением 16 премий (премию по медицине разделили между двумя участниками). В этом году на конкурс поступило 75 работ. Самое большое число наград присуждено в номинации «Биология».
    1478
  • 22/09/2016

    В Новосибирске планируют создать клинику для лечения методом БНЗТ

    ​Новосибирский государственный университет в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями работает над реализацией масштабного проекта по созданию клиники для лечения глиобластомы мозга и других онкологических заболеваний с помощью метода бор-нейтронозахватной терапии и ускорительного источника нейтронов Института ядерной физики им Г.
    2145