Глава XXIV. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ: БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

Луч лазера характеризуется следующими основными свойствами: чрезвычайно высокой интенсивностью (мощностью) до в импульсе или монохроматичностью— до поляризованностью и когерентностью, т. е. согласованностью электромагнитных световых волн по фазе; строгой параллельностью светового пучка и его узостью (можно создать луч с поперечным сечением порядка десятых долей мкм).

Современная лазерная техника позволяет получать

очень короткие световые импульсы, следующие друг за другом с различными интервалами времени с излучением в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах (от 260 до 1200 нм) и самой различной плотностью потока. В основе взаимодействия мощных лазеров с живой материей лежит прежде всего прямой тепловой эффект — термическая деструкция вещества и клеток поглощаемой и диссипирующей в тепло световой энергией. Фотохимические процессы здесь имеют второстепенное значение.

Широкое использование лазерный луч в качестве светового скальпеля нашел в макро- (операции на организме) и микрохирургии (операции на клетке). В макрохирургическом аспекте можно упомянуть лазерное «пришивание» отслоившейся сетчатки и удаление меланом. В подобных операциях важное значение в определении места действия луча наряду с его узостью и монохроматичностью имеет пигментированность тканей-мишеней. Можно подобрать излучение с такими длинами волн, которые практически не поглощаются, а следовательно, и не повреждают все остальные ткани кроме ткани-мишени. Используется также прием искусственной сенсибилизации нужных клеток или их компонентов с помощью прокраски веществами, соответствующими по спектру поглощения лазерному излучению. В практике часто важно то, что лазерный луч, перерезая кровеносные сосуды, «заплавляет» перерезанные концы, благодаря чему уменьшаются кровопотери при операции. Особое значение это имеет при операциях на богатых сосудами тканях и органах, например на печени. Следует также отметить, что лазерный скальпель инактивирует микрофлору в местах разреза.

Русский ученый С. С. Чахотин еще в двадцатые годы нашего столетия разработал метод микрохирургических операций на клетке с помощью сфокусированного луча обычного ультрафиолетового света. Лазерная техника значительно расширила возможности клеточной микрохирургии, позволила избирательно повреждать разные участки цитоплазмы, ядра и хромосом, а также отдельные внутриклеточные органеллы (митохондрии, хлоропласта, лизосомы, рибосомы). Наиболее впечатляющие результаты в этой области были получены Бернсом,

которому удалось достичь локального повреждения участков хромосом с размерами порядка одного гена. Отметим также данные Н. В. Сахарова, документированные микрофильмом о том, что мягкое облучение одного из двух ядрышек ядра клетки уменьшает его размеры с согласованным во времени разбуханием второго. Если же затем облучить второе ядрышко, то наблюдается обратная последовательность процессов. Такие циклы поочередного облучения обоих ядрышек с маятникообразным перекачиванием «материала» можно повторять многократно. Это указывает на существование между ними эффективных каналов взаимосвязи.

Обладает ли лазерный луч каким-либо специфическим действием на биологические объекты по сравнению с видимым светом? Естественно, что «сжигающий» эффект не обладает какой-либо биологической спецификой, а зависит только от плотности энергии. При лазерном облучении возможно двухфотонное заселение высших электронных уровней. Первые указания на возможную биологическую роль подобного рода процессов были получены Л. Б. Рубиным с сотр. На примере дрожжей, бактерий, водорослей и вирусов ими было показано, что после достижения определенной мощности лазерного импульса УФ-света (около квантовый выход летального действия возрастает почти на порядок. Одновременно в опытах на ДНК в растворе при тех же мощностях зарегистрировано десятикратное увеличение квантового выхода димеризации тимина. Характерно, что, согласно специальным расчетам, при мощностях УФ-излучения, превышающих действительно создаются условия для осуществления двухквантовых фотохимических реакций. Приведенные данные, по мнению Л. Б. Рубина, указывают на то, что дважды возбужденные молекулы тимина обладают повышенной вероятностью вступления в химическую реакцию димеризации.

В сложной системе клеток, тканей и организмов возможны и вторичные проявления специфичности лазерного излучения, которые связаны с узостью зоны повреждения биосубстрата и не достигаются с помощью «широких» световых потоков, воздействующих на большой объем биологического материала. Такие эффекты могут быть обусловлены диффузией продуктов фото- и

термодеструкции в необлученные участки клеток и тканей, локальными нарушениями проницаемости и механическими ударными волнами, имеющими место при лазерном «взрыве» биологических структур.

Специфику действия лазерного излучения на биосубстрат целесообразно связывать и с такими его параметрами, как когерентность и монохроматичность. Так, благодаря когерентной природе световой луч вызывает перемещение не только заряженных, но и незаряженных частиц. При этом частицы (макромолекулы или их комплексы) побуждаются к направленным перемещениям взаимодействием между электрическим зарядом (дипольным моментом) частицы и электрическим полем внутри лазерного пучка. Движения, не связанные с фотохимическими превращениями, в принципе, могут инициировать определенные биологические последствия, не характерные для обычного света.

Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет осуществлять избирательное возбуждение определенных колебательных подуровней в молекулах. Прежде всего это влияет на энергетически-конформационное состояние отдельных участков макромолекул белков и нуклеиновых кислот. В литературе описывается лазерная активация каталазы, сопряжения дыхания с фосфорилированием, иммунологических реакций. Следует, однако, заметить, что вопрос о биологически значимом специфичном действии лазерного излучения и его связи с первичными механизмами взаимодействия света с веществом еще очень далек от сколько-нибудь однозначного разрешения. Очевидно также, что подобная специфика лазерного воздействия на биологические процессы будет проявляться прежде всего при относительно слабых мощностях, не приводящих к глубокой термической деструкции биосубстрата.

В последние годы возникла и получила широкое распространение пикосекундная спектроскопия фотобиологических объектов, позволяющая изучать быстрые фотофизические и фотохимические реакции. Смысл пикосекундной спектроскопии — мгновенное возбуждение молекул ультракоротким лазерным импульсом с последующим тестированием другими импульсами или обычным светом кинетики релаксации системы к состоянию

равновесия, изменений физического и химического состояния по оптическим параметрам. При этом временная развертка в ультракоротких интервалах осуществляется с помощью скоростных электрооптических затворов или быстродействующих электронно-оптических преобразователей. Таким способом удалось определить время колебательных возбужденных состояний ряда органических молекул оценить скорость первичных превращений в пигментах и родопсине. Так, по данным А. Б. Рубина, скорость наиболее быстрой реакции в фотосинтезе — разделение электрических зарядов в реакционном центре — составляет около

Ценную информацию дают также лазерные методы спектроскопии с использованием эффектов Доплера, рамановского и рэлеевского рассеяния света, интерферометрии. В частности, по изменениям монохроматической длины волны лазерного луча при рассеянии на движущихся частицах (эффект Доплера) можно определить скорость движения биологических объектов, например клеток, клеточных органелл, потоков цитоплазмы.

Нерасходимость луча лазера существенным образом повышает разрешение индикатрисе рэлеевского рассеяния, что позволяет получить более точную информацию о размерах (молекулярных массах) и форме макромолекул и их комплексов. С помощью рэлеевского рассеяния лазерного света удалось, например, определить тонкие детали строения вируса табачной мозаики. Рамановское (комбинационное) рассеяние, связанное с изменением длины световой волны благодаря сложению или вычитанию частот колебаний электромагнитного излучения и молекулы, с успехом применяется для выяснения структурной организации молекул (белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т. д.), межмолекулярных взаимодействий и их динамики.

В заключение нужно отметить, что лазерная техника нашла широкое применение в голографии и микроскопии. С помощью голографической интерференционной микроскопии биологических объектов и прежде всего клеток Г. Р. Иваницким с сотр. не только получено их объемное изображение, но и зарегистрированы быстрые изменения рельефа поверхности клетки (микрорельеф плазматической мембраны) и ее структур как в ходе

естественного функционирования, так и при экспериментальных воздействиях.

С помощью лазерного луча можно дистанционно изучать спектры отражения (рассеяния) от далеко расположенных объектов. Таким путем производится, например, оценка заселенности воды фотосинтезирующими организмами с палубы научно-исследовательского судна и тем самым осуществляется экспресс-определение фото-синтетической активности Мирового океана.

Рекомендуемая литература

(см. скан)