Брайан Клегг - Вселенная внутри вас
Данным изобретением мы обязаны отцу и сыну Хансу и Захарию Янсенам из Голландии. Они были мастерами по изготовлению очков и в 1590 году создали первый составной микроскоп. В то время Ханс был еще мальчиком. Впоследствии он приобрел даже большую известность, чем отец, так как всю свою карьеру посвятил изготовлению оптических инструментов, однако основная заслуга в создании микроскопа принадлежит все же Захарию.
Современные знания о строении тела стали еще шире с появлением других технологий, которые позволили увидеть невидимое. Первым настоящим прорывом в данной области стала в свое время аутопсия (вскрытие трупа), которая в течение долгого времени была запрещена. Эта процедура позволила понять многое из того, что происходит внутри организма, но она имела свои ограничения, так как не могла проводиться на теле живого человека. Современная техника предлагает для этого несколько возможностей.
Всепроникающие лучи
Настоящая революция произошла в 1895 году, когда немецкий ученый Вильгельм Рентген, экспериментируя с трубкой Крукса, случайно совершил открытие. Это был прообраз катодной трубки, которая впоследствии широко использовалась в телевизорах и мониторах компьютеров до изобретения жидкокристаллических и плазменных экранов. Испускавшиеся этим устройством «катодные лучи» представляли собой поток электронов, которыми можно было управлять с помощью электрического и магнитного полей. Попадая на фосфоресцирующий экран, электроны вызывали свечение.
В телевизорах такие экраны устанавливались в передней части, но у Рентгена он случайно оказался слева от прибора. Включив трубку, ученый с удивлением заметил, что экран засветился, хотя по бокам трубка была обмотана картоном. Было похоже, что электроны, попадая в металлическую мишень, генерировали какой-то новый вид излучения, которое распространялось во все стороны и было настолько мощным, что проходило сквозь картон.
Рентген назвал этот новый вид излучения икс-лучами. «Икс» в названии символизировал нечто неизвестное и загадочное. Однако научной общественности это не понравилось, и впоследствии они стали называть новое явление рентгеновскими лучами.
В то время, как, впрочем, и сейчас, публикации в научной периодике иногда попадали в поле зрения прессы, и статья Рентгена об открытии икс-лучей произвела фурор среди широкой общественности благодаря одной фотографии. Она изображала руку его жены, сфотографированную в рентгеновских лучах. Лучи прошли сквозь мягкие ткани, но не через кости. Впервые на фотографии можно было увидеть часть человеческого скелета внутри тела. Интересным было и то, что жена не сняла обручальное кольцо (хотя, очевидно, пыталась сделать это, так как оно сдвинуто к суставу фаланги пальца), которое отобразилось на фотографии в виде густого черного пятна.
Возможности медицинского применения нового изобретения были настолько очевидны, что первый в мире рентгеновский аппарат был установлен в больнице города Глазго уже в 1896 году, то есть спустя всего год после открытия. Врачи, работавшие с рентгеновскими лучами, не соблюдали никакой осторожности. Более того, возможность видеть сквозь тело очень увлекала широкую публику. Даже в начале XX века в научно-популярных журналах публиковались инструкции по сооружению собственного рентгеновского аппарата в домашних условиях. В детстве с помощью такого устройства я мог сам наблюдать кости своих стоп, обутых в ботинки.
Лишь намного позже стало понятно, что использование замечательных свойств рентгеновских лучей сопряжено с риском. Рентген с самого начала догадывался, что эти лучи представляют собой разновидность световых. Так оно и оказалось. Рентгеновские лучи – это, по сути, тот же видимый свет, но обладающий куда большей энергией. Мы знаем, что электроны могут перескакивать на более высокий уровень при поглощении фотона – кванта световой энергии. Однако рентгеновские лучи обладали такой энергией, что могли выбивать электроны из атома. Это явление называется ионизирующей радиацией.
Сама по себе ионизация представляет собой довольно обычный процесс. Она происходит, например, при растворении соли в воде. Таким образом, все жидкости в организме человека содержат массу ионов. Однако ионизирующая радиация, проникая в клетки тела, создает свободные радикалы – очень активные молекулы, значительно повышающие риск возникновения рака. Естественной защитой организма от свободных радикалов являются антиоксиданты. В связи с этим в последнее время усиленно рекламируются продукты с антиоксидантами, которые якобы полезны для здоровья. Однако все исследования говорят о том, что антиоксиданты, принимаемые с пищей, не идут ни в какое сравнение с анти-оксидантами, вырабатываемыми самим организмом, поэтому практически бесполезны.
Опасность ионизации, вызванной фотонами высоких энергий, означает, что чрезмерного воздействия рентгеновских лучей на организм следует избегать. Именно поэтому рентгенологи работают за защитными экранами. Однако для пациентов риск весьма невелик, особенно если учесть, что мы непрерывно подвергаемся воздействию естественной радиации. Радиация, исходящая из природных источников, присутствует вокруг нас постоянно. Рентгеноскопия грудной клетки, к примеру, создает такой же уровень облучения, как полет на самолете в течение 10 часов.
Томография и ядерный резонанс
Для того чтобы без вскрытия выяснить, что происходит внутри тела человека, врачи сегодня располагают самыми разными средствами. Компьютерная томография – это те же самые рентгеновские лучи, но они способны на такое, о чем до появления компьютера и подумать было невозможно. Томография представляет собой последовательное фотографирование одного слоя исследуемого участка тела за другим.
С помощью сложной компьютерной обработки из этих снимков составляется объемное изображение внутренних тканей тела, которое можно рассматривать под любым углом.
Еще один хорошо известный метод называется МРТ – магнитно-резонансная томография. Сначала он носил название ЯМР (ядерный магнитный резонанс), но поскольку слово «ядерный» вызывало у людей ассоциации с ядерной радиацией, от него пришлось отказаться, хотя страхи были совершенно напрасными, так как имелись в виду ядра атомов в теле. Никакого облучения пациентов не происходило.
Снимок головы автора, сделанный с помощью компьютерной томографии. Вертикальные полоски отмечают отдельные слои, зафиксированные в томограмме
Протоны в ядре атома могут вести себя как маленькие магниты. МРТ использует сильное магнитное поле, которое ориентирует магнитные поля протонов в молекулах воды в определенном направлении. Затем сканер посылает пучок радиоволн определенной частоты (радиоволны представляют собой разновидность световых волн относительно низкой энергии), который на короткое время отклоняет магнитный момент (спин) протонов. После этого протоны быстро возвращаются в исходное состояние, излучая фотоны, которые могут быть зафиксированы. Поскольку разные виды тканей и жидкостей в теле реагируют на этот процесс по-разному, создается возможность различать их по количеству испускаемых фотонов и выводить полученное изображение на сканер.
Охота за неуловимыми нейтрино
Фотоны электромагнитного излучения определенной частоты – это не единственные частицы, способные проникать сквозь твердые тела. Каждую секунду сквозь наше тело проходит около 50 триллионов частиц, которые носят название нейтрино. Эти частицы испускаются Солнцем и другими космическими источниками. Нейтрино поистине неуловимы. Их так трудно обнаружить, что, хотя существование этих частиц было предсказано еще в 1930‑е годы, их впервые удалось зафиксировать лишь спустя двадцать лет. По результатам эксперимента, проведенного в 2011 году в ЦЕРНе (Женева), было высказано предположение, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света, а кое-кто даже заявил, что это означает крах теории относительности Эйнштейна.
Поскольку нейтрино с такой легкостью проникают сквозь тело человека, может показаться, что они прекрасно подходят для медицинского сканирования. Но дело в том, что ни одна структура не представляет для них ни малейшего препятствия. Они проходят через тело человека так же легко, как через вакуум. Более того, они могут пролететь сквозь всю нашу планету, как будто ее и нет. Обнаружить их можно лишь в том случае, когда один из нейтрино случайно столкнется с атомом, что вызовет образование и разлет вторичных частиц. А вот увидеть нейтрино мы не сможем.
Нейтринные телескопы обычно устанавливают в шахтах глубиной в несколько километров, поскольку на такую глубину не долетит ни одна другая частица, которая могла бы вызвать реакцию в ванне с жидкостью или другим материалом, используемым в качестве детектора. Подобные устройства предназначены для того, чтобы создать с их помощью нейтринную картину Солнца. Картина получается не слишком подробной – всего несколько точек – и то при условии, что Земля в этот момент обращена к Солнцу противоположной стороной.
