Новосибирский лазер на свободных электронах Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН 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: «Всё 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 всё 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.
«Всё 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
Фото предоставлено исследователями
