https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/global/forms/molecular-biology-calendar-request-form.html
Подписаться
Биомолекула

Магниты, радио, электроны и ядра

Магниты, радио, электроны и ядра

  • 207
  • 0,0
  • 0
  • 3
Добавить в избранное print
Обзор

Магнитная томография, основанная на индуцированном «повороте» ядерных спинов в магнитном поле, позволяет заглянуть внутрь человеческого организма.

рисунок автора статьи

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Новые методы исследований часто переворачивают представление человечества об окружающем мире, позволяя заглянуть в его недоступные ранее уголки. Во второй половине XX века возник целый «букет» новых методов, основанных на явлениях магнитного резонанса: электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР), ферромагнитного резонанса, акустического парамагнитного резонанса и др. Почти сразу эти методы проникли из физики, где они «родились», в химию и биологию, а позже и в медицину. Сегодня мало кто не слышал об МРТ — магнитно-резонансной томографии, основанной на явлении ЯМР и позволяющей врачу легко «проникнуть взором» внутрь организма пациента. Устройство современных приборов, в которых использованы наиболее изощренные элементы новейшей техники, приводит неискушенного человека в священный трепет своей непостижимой сложностью и совершенством. Однако все они основаны на вполне понятных — хотя и не сразу понятых — физических идеях. В этой статье рассказано об истории идей, приведших к открытию ЭПР и ЯМР и созданию МР-томографа, начиная с развития представлений об атоме.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Биофизика» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

«БиоЛайн»

Партнер номинации — компания «БиоЛайн».


BIOCAD

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.


«Диаэм»

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

— Ух, до сих пор в голове шум! — Федор помотал головой, словно пытаясь вытряхнуть его.

— Это после обследования? — Виктор с сочувствием посмотрел на товарища.

— Ну, да, на томографе. Наверное, целый час в нем пролежал. А шуму — как на взлетной полосе!

— А разве там наушники не дают?

— Дают, иначе совсем оглохнуть можно было бы! Но все равно до сих пор в голове гудит. И как только такую машину придумали!

— Знаешь, я как раз собираюсь сегодня пойти в гости к Семену Ильичу, в его лабораторию. Хочешь со мной сходить? Обо всем его и расспросишь. Мне тоже интересно про МР-томографы узнать. После того, как тебе дали направление на МРТ-обследование, я пытался что-то почитать про это, но так ничего толком и не понял.

— Спасибо, с удовольствием!

* * *

— Здравствуйте, здравствуйте, ребята, проходите! — Семен Ильич, приветливо улыбаясь, открыл детям дверь. — Ну, с чем сегодня пришли? Какие-нибудь новые вопросы или наблюдения?

— Понимаете, Федя ходил на МРТ-обследование...

— Ага, магнитно-резонансная томография! Понятно. И что же вас в ней заинтересовало?

— Да, хотелось понять, как и кому пришло в голову такую штуку придумать? — смущенно произнес Федор.

Семен Ильич внимательно посмотрел на него.

— А разве тебе не интересно было бы узнать, как она работает?

— Ну, это очень сложно! Я наверняка не пойму.

— Думаю, ты зря недооцениваешь свои возможности. Если потратить достаточно усилий, то разобраться можно даже в очень сложных вопросах. Но, пожалуй, ты прав, что разбираться в них проще, глядя на опыт тех, кто впервые шел по этому пути. Когда понимаешь, какие идеи двигали первыми исследователями, с какими сложностями они сталкивались, то предмет их исследования становится понятнее. Ну, что же, давайте попробуем. Но только к открытию магнитного резонанса — как и ко многим другим физическим явлениям — ученые подходили с разных сторон, и нам тоже придется пройти сразу несколькими разными путями. Вы готовы?

— Конечно!

— Ну, что же, тогда начнем. Вы, естественно, знаете, что такое магнит — тело, притягивающее железные предметы. Магнитные камни, притягивающие железо, — минерал магнетит — были известны еще в Древнем Китае, Индии и Греции. А что такое электричество?

— Движение электрических зарядов?

— Да, конечно. Но это современное определение, а сами электрические явления известны тоже как минимум с Античности. Сначала их, в основном, тоже наблюдали в виде притяжения — например, появления способности притягивать легкие предметы у янтарной палочки, которую натерли шерстью. Но когда в 18 веке создали электрический конденсатор (Лейденскую банку), а затем и гальванический элемент — источники электричества, — и научились передавать его на расстояние, и оно бежало по проводам, разогревая их, то все это выглядело совсем не похоже на магниты. То есть был мир магнитных явлений — это то, что бывает с некоторыми камнями, и был мир электрических явлений — когда какой-то «флюид» бежит по проводам, подключенным к лейденской банке или гальваническому элементу. И вдруг оказалось, что электрический ток, бегущий по проволоке, ведет себя как магнит! Физик Ханс Эрстед обнаружил, что он оказывает влияние на стрелку компаса. А затем Майкл Фарадей открыл, что движущийся около замкнутого проводника магнит создает в нем электрический ток. Оказалось, что магнитные и электрические явления связаны между собой — нет электричества и магнетизма по отдельности, а есть электромагнетизм. А спустя еще несколько десятков лет Джеймс Максвелл свел воедино все известные законы электрических и магнитных явлений, записал их в виде уравнений и обнаружил, что уравнения предсказывают существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

— И тогда догадались, что свет — это тоже электромагнитная волна?

— Да. Только нельзя сказать «тоже», ведь никакие другие электромагнитные волны тогда еще не были известны. Их смог обнаружить Генрих Герц только четверть века спустя. А еще через несколько лет Александр Попов с помощью этих волн смог осуществить радиосвязь. И с этого момента, с конца 19 века, можно сказать, начался век радио.

— Стали слушать радиопередачи?

— До радиопередач было еще далеко. И главное, радио — это ведь не только радиовещание. Это и беспроводной телеграф (именно так радио и называли первое время — беспроводная связь), и радиолокация, и радионавигация, и радиофизика, и радиоастрономия... Естественно, все это возникло не одновременно. Но по мере того, как возникало, становилось ясно, что с помощью радио можно исследовать очень многое — и космос, и микромир...

— И человеческий организм? То есть в МРТ — там тоже радио используется?

— Да, там тоже используются радиоволны, точнее — электромагнитное излучение радиочастотного диапазона. Но погоди немного, до этого еще далеко. Биологические материалы, или, как их называли в далекие времена, «живое вещество», это очень сложно устроенное вещество, оно во все времена казалось самым загадочным. А до начала 20 века почти не было известно о том, как вообще устроено вещество, хотя бы «неживое»: что собой представляет вода, камень, кусок металла, из чего они состоят?

— Как из чего? Из атомов! Атомы образуют либо молекулы, либо целые кристаллы...

— Но это же было очень нелегко понять. Если мир сложен из кирпичиков — атомов, то есть неделимых частичек, то почему мы их не видим? Где же атомы, если любое вещество можно раскрошить сколь угодно мелко? Скалу можно расколоть на отдельные камешки, камешки могут рассыпаться до отдельных песчинок, песчинки можно растереть в порошок, в пыль, так что отдельные пылинки и не увидишь. А уж что и говорить про жидкости! Ведь если бы вы не слышали об этом с детства, то не поверили бы, что вода состоит из отдельных «кирпичиков». Поэтому еще со времен Аристотеля люди, в основном, считали, что в основе вещества — какая-то непрерывная, бесструктурная субстанция, «континуум» по-гречески.

— А разве не было уже в Древней Греции тех, кто считал, что все состоит из атомов?

— Да, были знаменитые атомисты — Левкипп, Демокрит, Эпикур... Но ведь, на самом деле, они про атомы ничего не знали. Это была только гипотеза — точно так же, как лишь гипотезой фактически была и «теория континуума» Аристотеля, и проверить их не было никакого способа.

— А какой может быть способ, если их невозможно увидеть?

— Очень часто такое бывает, что хотя вы чего-то не можете увидеть, но знаете, как оно себя ведет, — и благодаря этому понимаете, как оно устроено. Например, вы не видите морского дна, но видите, как изменяются волны на поверхности моря, и по этому можете догадаться, где отмели, а где глубина. К концу 18 века начались важные открытия в химии. Стало ясно, что среди всех веществ существуют простые — которые уже нельзя разложить ни на какие другие. А разные простые вещества (или элементы, как их начали называть) могут как-то соединяться друг с другом и образовывать новые. Джон Дальтон, которого мы сегодня могли бы назвать и физиком, и химиком, в самом начале 19 века установил закономерность, что элементы могут образовывать друг с другом соединения только в определенных пропорциях. Как будто каждого элемента для образования нового вещества можно взять либо столько, либо вдвое больше, либо втрое... — но невозможно взять какое-либо промежуточное количество (это правило было названо законом кратных отношений). Если вещества устроены как бесконечно делимые жидкости, от каждой из которых можно отобрать капельку любого размера, то такие ограничения совершенно непонятны — казалось бы, их можно перемешать друг с другом в любых пропорциях. А вот если они состоят из кирпичиков-атомов, и их можно взять для образования молекул нового вещества либо один, либо два, либо три, но никак не одну треть и не два с половиной, то этот экспериментальный закон кратных отношений становится понятен. Вот вам первый шаг к пониманию, из чего состоит вещество.

— А почему только первый? Разве еще оставались какие-то сомнения, что вещество состоит из атомов?

— Оставалось непонятным самое главное: как устроены сами атомы. До тех пор, пока — почти век спустя — Джозеф Томсон не открыл электрон.

— А как можно было его открыть? Он его увидел?

— Нет, он исследовал его «поведение», и этого оказалось достаточно. Он изучал так называемые катодные лучи — по сути, электрический ток в разреженном газе. «Лучи» — то есть что-то похожее на свет, какое-то электромагнитное излучение, так долго думали. А он смог измерить их скорость, и она оказалась намного меньше скорости света — значит, это не электромагнитное излучение, а поток частиц. Эти частицы несли электрический заряд, и их свойства не зависели от того, из какого вещества они вылетают. А значит, они есть в любом веществе. И появилась первая серьезная модель атома: атом — как пудинг (то есть пирог), по которому «размазан» положительный заряд, а в нем как изюминки, плавают отрицательно заряженные электроны. Ее так и назвали — моделью пудинга, или моделью Джозефа Томсона (рис. 1) [1].

Модели атома Томсона и Резерфорда

Рисунок 1. Модели атома Томсона (а) и Резерфорда (б).

[1], где приведено более подробное изложение истории открытия магнитного резонанса и его применений

— В физике, оказывается, бывают и съедобные модели!

— Бывают, только эта — долго не продержалась. Ровно в те же годы Анри Беккерель открыл радиоактивность, а Эрнест Резерфорд обнаружил в составе радиоактивного излучения положительно заряженные частицы, названные им альфа-частицами. И облучая ими металлическую фольгу, он увидел, что иногда (хотя и очень редко) частицы не проходят через нее, а отражаются назад. Но если вещество состоит из атомов-пудингов, то это невозможно! Представьте себе, что в пирог попадает пуля; конечно же, через рыхлое тесто она пройдет без проблем. Отскочить назад она сможет только, если наткнется на какое-то плотное препятствие — например, на монетку, запрятанную в пудинг. То есть вещество в атоме не может быть «размазано» в пространстве, как тесто; оно собрано в очень маленькие плотные «ядра». Положительные ядра и отрицательные электроны — вот из чего состоит вещество.

— То есть вместо пудинга получается смесь гороха и чечевицы, как у Золушки?

— Не совсем так. Уже тогда хорошо знали, что если собрать вместе несколько заряженных частиц, то они не смогут просто так удержаться вместе неподвижно — либо разлетятся в разные стороны, либо будут вращаться друг вокруг друга. А раз атомы стабильны, то есть не распадаются сами по себе на ядра и электроны, то в них электроны должны вращаться вокруг атомов — примерно как планеты вокруг Солнца (рис. 1).

— А, так это и есть планетарная модель атома?! Мы такие на картинках много раз видели. А еще скульптуру — помнишь, Вить, на каком-то большом шоссе?

— Точно! Шарик, а вокруг него что-то вроде колец Сатурна с шариками поменьше. Только забыл, где это было.

— Ну, вы это много где могли видеть — такие памятники есть в Москве, Обнинске, Зеленограде, Волгодонске, Каменске-Уральском, Новосибирске и во многих других местах, связанных с ядерной физикой. А теперь вспомните, о чем мы с вами говорили чуть раньше: электрический ток, бегущий по кругу, ведет себя как магнит. Но ведь электрический ток — это движение заряженных частиц. А значит, заряженный электрон, вращающийся вокруг ядра, это кольцевой электрический ток, и он превращает атом в маленький магнит! А как ведут себя магниты, оказавшиеся рядом?

— Притягиваются!

— Разве только притягиваются?

— Ну, могут и отталкиваться, смотря как повернешь. Но только, оттолкнувшись, они развернутся и все равно притянутся друг к другу.

— Вот это ты, Витя, очень точно заметил: магнит, если ему «неуютно» (физики говорят: энергетически невыгодно) быть повернутым к другому магниту одной стороной, повернется другой. Но ведь его можно развернуть и обратно, приложив для этого небольшое усилие. К тем магнитам, что висят у нас на холодильнике, его можно приложить руками, а к микроскопическим атомным магнитикам — с помощью радиоволн (рис. 2).

Переходы между состояниями магнитного атома или ядра

Рисунок 2. Переходы между состояниями магнитного атома или ядра в магнитном поле на языке классической физики. Во внешнем магнитном поле ось элементарного магнита m (атома или ядра) начинает вращаться (прецессировать) вокруг вектора напряженности H магнитного поля. Однако энергия взаимодействия магнита с магнитным полем зависит от угла между векторами m и H. Изменение этого угла происходит с затратой энергии или, наоборот, ее выделением — например, в форме электромагнитного излучения (поглощенного или испускаемого).

рисунок автора статьи

— То есть атомом можно управлять почти как машинкой на радиоуправлении!

— Точно! И каждый атом — как такая машинка, или лучше сказать, как миниатюрный радиоприемник, — настроен на свою частоту. И частота эта зависит от того, что это за атом, в какой молекуле или в каком кристалле он находится, какое магнитное поле его окружает. Иногда это примерно такие радиоволны, какие ловят наши коротковолновые радиоприемники, а иногда — такие, которые используются у нас на кухнях в микроволновых печах. А кроме того, оказалось, что магнитом может быть не только атом в целом, но и его ядро. Ядерные магнитики слабее и ловят радиосигнал на других частотах. Но и их частоты зависят от их соседей в молекуле. А значит, облучая их радиоволнами разной частоты, можно узнать, что за атомы входят в состав вещества и как они между собой связаны, то есть можно определить структуру молекулы. Вот только надо еще исследуемое вещество внутрь большого магнита поместить, и чем сильнее магнитное поле он дает, тем лучше. А само это явление поворота микроскопических магнитиков в магнитном поле под действием радиоволны подходящей (физики говорят — резонансной) частоты называется магнитным резонансом. Если поворачиваются ядра, то это — ядерный магнитный резонанс, сокращенно ЯМР. А если атомы, точнее, их электроны, то — электронный парамагнитный резонанс, или ЭПР.

— А какой резонанс в МРТ?

— В магнитно-резонансной томографии используется поворот ядер в магнитном поле под действием радиоизлучения, то есть явление ЯМР. Как видите, с помощью радио можно прослушивать не только земную атмосферу или глубины космоса, но и глубины человеческого организма . В этом, Федя, ты имел возможность убедиться недавно.

Применению метода ЯМР в биологии посвящено несколько статей на сайте «Биомолекула» [2–4]. Методу ЭПР и некоторым его применениям в биологии посвящены статьи [5], [6] в «Соросовском образовательном журнале». — Прим. авт.

— Да, здорово придумано! Эх, жаль только, что так недавно открыли этот магнитный резонанс! Мама рассказывала, насколько сложнее было пациентам в ее детстве, когда томографов еще не было.

— Нет, Федя, открыли магнитный резонанс очень давно. Явление ЭПР открыл в 1944 году Евгений Константинович Завойский, а в 1946 году Эдвард Парселл и Фелих Блох в Америке открыли ЯМР . Но от открытия этих явлений до создания МР-томографии был еще большой путь. Во-первых, чтобы получить пространственную картину обследуемого организма, придумали создавать изменяющееся в пространстве магнитное поле. Благодаря этому в каждом маленьком участочке тканей пациента атомные ядра настроены на свою собственную частоту — то есть у каждого атома словно появляются свои собственные радио-позывные, которые он может передать прибору, чтобы «сообщить» о своем местоположении. Во-вторых, я уже вам говорил, что для исследования вещества с помощью магнитного резонанса нужно сильное магнитное поле. А человек ведь гораздо крупнее, чем какая-нибудь пробирка с веществом. Создать в большом объеме сильное магнитное поле оказалось возможным только с помощью сверхпроводящих магнитов. И хотя само явление сверхпроводимости было открыто еще в начале 20 века, основанная на нем техника стала развиваться намного позже. В-третьих, оказалось, что для применения МРТ в 1940-х годах еще не «созрела» вычислительная математика — лишь два десятилетия спустя после открытий ЭПР и ЯМР появились необходимые методы для обработки измеряемых сигналов магнитного резонанса. Можно было бы назвать и в-четвертых, и в-пятых, но, мне кажется, на сегодня с вас хватит новой информации.

Подробные биографии первооткрывателей магнитного резонанса и история первых двух десятилетий развития связанных с ним новых направлений в науке описаны в книге [7]. — Прим. авт.

— Да, Семен Ильич, мне кажется, что для обработки всех сигналов, полученных от вас сегодня, у нас с Витей еще точно не созрели подходящие методы! Спасибо вам большое за ваш рассказ!

— Да, спасибо! Нам надо «переварить» все услышанное, но если потом появятся новые вопросы...

— Конечно, заходите, всегда рад! До встречи! И желаю, чтобы с МРТ вы чаще встречались, как исследователи, а не как пациенты!

* * *

— Ну, Федя, что скажешь? — спросил Виктор, когда они вышли на улицу. — Ты узнал, что хотел?

— После томографа у меня гудело в голове от шума, а теперь — от новых слов и мыслей.

— Ну, это лучше, чем от шума, — Виктор улыбнулся. — А знаешь, у меня предложение: давай закрепим их практическими занятиями: сходим ко мне домой, разогреем в микроволновке обед. А потом — на реку, можно с радиоприемником.

— Отлично! Но только — чур с радионаушниками!

— Чтобы не нарушать тишину и не мешать окружающим?

— Нет, чтобы не прерывать практические занятия!

Статья впервые была опубликована в журнале «Квантик» [8], [9].

Литература

  1. Василий Витальевич Птушенко, Vasilii Vital'evich Ptushenko. (2019). На перекрестке идей: история открытия магнитного резонанса. Квант. 0, 2-9;
  2. Ядерный магнитный резонанс, или волшебная палочка для химиков и биологов;
  3. 12 методов в картинках: структурная биология;
  4. Сверхпроводящие магниты и рецепторы биомембран: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН;
  5. Блюменфельд Л.А. и Тихонов А.Н. (1997). Электронный парамагнитный резонанс. «Соросовский образовательный журнал». 9, 91–99;
  6. Тихонов А.Н. (1998). Спиновые метки. «Соросовский образовательный журнал». 1, 8–15;
  7. Кессених А.В. и Птушенко В.В. Магнитный резонанс в интерьере века: биографии и публикации. М.: «Физматлит», 2019;
  8. Птушенко В.В. (2021). Магниты, радио, электроны и ядра. Ч. 1. «Квантик». 1, 2–5;
  9. Птушенко В.В. (2021). Магниты, радио, электроны и ядра. Ч. 2. «Квантик». 2, 2–5.

Комментарии