Версия для печати
Вернуться к списку

МОГУЧИЙ ЛУЧ

Лазерное излучение - инструмент познания, используемый во многих областях науки. Он позволяет исследовать то, что человек не способен увидеть глазами и что не поддается изучению другими методами. К примеру, лазерный луч определенной длины волны по-разному поглощается и отражается живыми клетками, тканями и органами, причем спектры поглощения, а также характер рассеяния лазерного излучения и флуоресценции у здоровых и больных тканей отличаются. Это позволяет проводить с помощью лазеров точную диагностику болезней, например, определять наличие небольшого количества раковых клеток в тканях задолго до того, как человека начнут беспокоить первые признаки страшного заболевания. Подобные диагностические методики разрабатываются многими российскими и зарубежными исследователями, некоторые технологии уже используются в клиниках.

О такого рода открытиях шла речь на XI Международной конференции по применению лазеров в науках о жизни (International Conference on Laser Applications in Life Sciences, LALS 2007). Форум был организован Московским государственным университетом им. М.В.Ломоносова и Российской академией наук. В нем участвовали около 200 человек, около половины ученых приехали из-за рубежа.

Открытие конференции и пленарная сессия состоялись в первый день в конференц-зале Главного здания МГУ. Пленарные доклады сделали профессор Токийского университета Хиро-о Хамагучи, профессор Университета Льюка Джозеф Айзатт (США) и профессор Саратовского госуниверситета Валерий Тучин. Еще три дня конференция проходила в здании Президиума РАН. Программа, включавшая четыре секции и три симпозиума, охватывала большинство важнейших областей использования лазеров в науках о жизни - от таких, ставших уже традиционными, но при этом постоянно развивающихся областей, как лазерная спектроскопия, до новейших и особенно популярных ныне био - и нанофотоники.

Началась конференция с доклада об исследованиях, проведенных с помощью рамановской спектроскопии японскими учеными. Развитие этой методики позволило наблюдать на уровне одной клетки процессы ее жизнедеятельности и смерти. В частности, ученые изучали метаболическую активность митохондрий в клетке и увидели, что характерные линии рамановского спектра, которые обнаруживаются во время жизнедеятельности клетки, исчезают, когда клетка начинает умирать. Эти линии исследователи назвали "раман-спектроскопической подписью жизни". "Подпись" исчезает с появлением в вакуоли клетки некоторого подвижного образования, которое ученые наименовали "танцующим телом". Было обнаружено, что его появление неизбежно приводит к гибели клетки.

"В последние годы стала очевидной большая перспективность использования в науках о жизни терагерцового излучения, в качестве источников которого можно применять лазеры субмиллиметрового диапазона, - рассказывает сопредседатель конференции академик РАН Сергей Багаев. - Это очень интересное направление: в организме человека много воды, а терагерцовое излучение ею селективно поглощается, что приводит к изменению как структуры воды, так и функционального состояния взаимодействующих с нею биомолекул. Такое облучение способно приводить к изменениям в организме человека на молекулярном уровне в отдельных органах, что может использоваться для лечения. Сейчас это направление активно развивается и в России, и в других странах мира, в том числе в целях биомедицинской диагностики и терапии".

Есть и другое, немедицинское, применение этого вида излучения. "Представьте себе ситуацию - в соседней комнате засел террорист, и вам нужно увидеть, есть ли там люди помимо преступника, - рассказывает председатель международного программного комитета конференции профессор физического факультета МГУ Виктор Задков.

- Терагерцовое излучение позволяет видеть сквозь стены, в том числе определять количество людей внутри закрытой комнаты. Известна еще одна проблема - обнаружение спор болезнетворных бактерий, например чумы, пересылаемых террористами в почтовых отправлениях. Терагерцовое излучение позволяет "увидеть" порошок в запечатанном конверте, определить его природу и потенциальную опасность для человека. В настоящее время разрабатываются и другие возможности применения терагерцового излучения в антитеррористических целях. Долгое время установки, генерирующие терагерцовое излучение, стоили очень дорого, поэтому они не могли широко использоваться в практических целях. Однако в последние годы ученые научились делать более дешевые и компактные источники, в том числе лазерные, что позволит им получить широкое применение. Так, они уже используются для просвечивания багажа и ручной клади в некоторых зарубежных аэропортах.

Большой прогресс достигнут в последние годы в другом направлении, связанном с лазерами, - в оптоакустической томографии. С помощью лазера генерируются акустические импульсы, которые зондируют ту или иную часть тела человека, и с помощью компьютера в реальном времени строится изображение ее внутренней структуры. Это изображение позволяет врачам судить о наличии тех или иных патологий, например аневризмы сосуда или опухоли, и, если необходимо, проводить операции, в частности, с использованием лазерного скальпеля. При этом обеспечивается более высокое пространственное разрешение, чем при обычной ультразвуковой диагностике, и большая безопасность по сравнению с рентгеновской диагностикой.

Конференция продемонстрировала большие успехи в разработке многих других лазерных технологий, которые повышают эффективность диагностики и лечения в различных направлениях практической медицины: в онкологии, нейрохирургии, офтальмологии, стоматологии. С каждым годом совершенствуется лазерная аппаратура, расширяется диапазон используемых длин волн, появляются новые более эффективные методики измерений, диагностики и модификации свойств биологических тканей.

Широкое применение лазерных технологий тесно переплетается с проведением фундаментальных исследований. "Успех - в обоюдном движении фундаментальной науки и ее практических приложений навстречу друг другу", -считает директор Международного лазерного центра и заведующий кафедрой МГУ профессор Владимир Макаров.

В последние годы в медицине и биологии все больше исследований выполняется на клеточном уровне. Широкое использование принципиально новых методов измерения параметров одиночных клеток и способов селективного воздействия на них составит основу медицины и биологии будущего. Сегодня ученые научились генерировать сверхкороткие лазерные импульсы длительностью в несколько единиц или десятков фемтосекунд (1 фс = 1015 с) в широком спектральном диапазоне, от ультрафиолета до ИК диапазона. Возможности таких систем, в том числе для биологии и медицины, уникальны. Функционирование различных клеток в тканях и органах человека, определяющих, например, его зрительную или нервную систему, характеризуется специфическими частотами, то есть процессы в них происходят за определенные промежутки времени. Использование современных лазерных источников с широким спектральным диапазоном позволяет определить эти специфические частоты и произвести воздействие на конкретные клетки за периоды, более короткие, чем длительность протекающих в них процессов. Так возникают принципиально новые физика, химия и биология.

С помощью лазеров можно работать не только с отдельными клетками, но и с отдельными молекулами и генами. "Методика, которая использовалась для расшифровки генома, основана на использовании лазеров, - рассказывает В.Задков. - Представьте себе, сколько генов в цепочке ДНК! Только лазер способен распознать такое количество генов и определить их последовательность. Эта информация обрабатывается и записывается компьютером, и только потом становится доступной для анализа человеческим мозгом". Расшифровка генома человека лежит также в основе новой эпохи в медицине.

Описание манипуляций с помощью лазерного инструментария не может не впечатлять. "Лазерный пинцет" бесконтактно захватывает одну клетку, а с помощью "лазерных ножниц" в этой клетке можно, не убивая ее, провести микрооперацию, например, заменить ядро, или один ген присоединить к другому, или убрать отдельное звено из цепочки ДНК. Уже есть фирмы, которые производят приборы для работы с отдельными генами и звеньями ДНК. Однако такие приборы пока еще довольно дорогие и используются только в научных целях.

Конференции в этой области науки вызывают большой интерес. Не в последнюю очередь потому, что тематика лежит на стыке наук: физики, химии, биологии, биоинженерии. Как подчеркивали многие участники встречи, междисциплинарный характер этого направления способствует и привлечению молодежи. Значит, за будущее можно не беспокоиться.