Органы у микрофона

В современной науке для исследования внутреннего строения живых организмов существует много методов, но каждый из них даёт далеко не безграничные возможности. Один из перспективных методов, флуоресцентная микроскопия, основан на формировании изображения оптическим излучением, которое возникает внутри объекта или в результате собственного свечения вещества, или за счет специально направленного оптического излучения определенной длины волны. Но пока ученым приходилось довольствоваться лишь изучением объектов на глубине 0,5–1 мм, а дальше свет сильно рассеивается и отдельные детали не подлежат разрешению.

Группа ученых под руководством директора Института медицины и биологии при Центре имени Гельмгольца по изучению окружающей среды Василиса Нциахристиса и доктора Даниэля Разански разработала новый метод изучений микроскопических деталей в тканях.

Им удалось добиться получения трехмерных изображений внутренней структуры живых организмов на глубине 6 мм с пространственным разрешением менее 40 микрон (0,04 мм).

Результаты работы опубликованы в Nature Photonics.

Свой метод ученые назвали мультиспектральной оптико-акустической томографией (MSOT). От классической оптико-акустической томографии, где информация о распределении оптических неоднородностей доставляется ультразвуковыми волнами, испытывающими относительно слабое рассеяние в биологических тканях, авторы работы действительно взяли довольно много. Но при этом MSOT позволяет исследовать структуры размерами, сравнимыми с размерами отдельных клеток, а классическая оптико-акустическая томография изучает неоднородности размером не меньше 1–2 мм.

Что же нового придумали ученые из Центра имени Гельмгольца? Они последовательно посылали на изучаемый объект луч лазера под разными углами. Когерентное излучение лазеров поглощалось находящимся в глубоких тканях флуоресцентным белком, вследствие чего в этой области повышалась температура и возникала своего рода ударная волна, сопровождающаяся ультразвуковыми волнами. Эти волны принимались специальным ультразвуковым микрофоном.

Затем все эти данные отправлялись в компьютер, который в результате выдавал трехмерную модель внутренней структуры объекта.

В работе использовались плодовая мушка Drosophila melanogaster («чернобрюхая дрозофила») и хищная рыба-зебра (на фото).

«Это открывает дверь в совершенно новый мир исследований, – считает один из авторов работы доктор Даниэль Разански. – Впервые биологи смогут в оптическом диапазоне следить за развитием органов, за клеточными функциями и экспрессией генов».

Данная работа не была бы реализована, если бы не открытие нового вида белков, которые флуоресцируют под воздействием оптического излучения. Так, за работы по открытию и исследованию зеленого флуоресцирующего белка (GFP) американские ученые Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсиен (Цянь Юнцзянь) получили в 2008 году Нобелевскую премию.

К настоящему времени удалось обнаружить другие природные цветные белки, и их число продолжает постоянно расти.

Нет сомнений, что в ближайшем будущем эта технология будет широко применяться для повсеместного изучения метаболических и молекулярных процессов – от рыб и мышей до людей, и самое актуальное применение метода MSOT для человека – это обнаружение раковых опухолей на ранней стадии, а также изучение состояния коронарных сосудов.

Деревья больше не спасут

Буквально пятьдесят миллионов лет назад и Северный и Южный полюса были свободны ото льда – в Арктике даже обитали экзотические рептилии вроде крокодилов и черепах. С того времени началось плавное и весьма длительное снижение уровня углекислого газа, что незамедлительно привело к охлаждению Земли. В эпоху глобального потепления это кажется странным, но, по всем расчетам, наша планета должна была «промерзнуть» значительно сильнее, чем это происходило даже в самые суровые ледниковые периоды.

Марк Пагани из Йельского университета и его коллеги показали, что от такой незавидной судьбы Землю спасли растения, предотвратившие избыточное изъятие углекислого газа из атмосферы.

Глобальный климат с самого зарождения Земли определялся парниковыми газами. С появлением фотосинтетических бактерий уровень кислорода вырос, метан атмосферы окислился, и основным регулятором поглощения/отражения солнечного освещения, а вместе с этим и температуры, стал углекислый газ.

Вплоть до индустриальной революции 1750 года, когда человечество додумалось масштабно использовать минеральные ископаемые вроде угля и нефти, основной выброс углекислого газа в атмосферу происходил за счет дыхания живых организмов – от бактерий и растений до губок и приматов – и непостоянных, но вносивших существенный вклад извержений вулканов.

На другой чаше весов – противоположные процессы: поглощение углекислого газа фотосинтетическими организмами, его растворение в пресной и морской воде и другие геохимические процессы, заканчивающиеся отложением карбонатов на дне океана или в составе горных пород. Сейчас можно наблюдать, как возросшая концентрация CO₂ привела к «газификации» и закислению мирового океана.

24 миллиона лет назад доминировал другой процесс – начавшееся формирование гигантских горных систем Анд, Гималаев и Тибетского плато привело к сверхбыстрому поглощению CO₂ из атмосферы.

Этому процессу мы и обязаны резким и весьма продолжительным похолоданием, способным к самостоятельному усилению. Снижение уровня CO₂ привело к снижению температуры, что, в свою очередь, способствовало поглощению углекислого газа водами мирового океана. Да и такие процессы, как гниение и разложение органики, обычно компенсирующие все усилия тропических лесов по поглощению углерода из атмосферы, тоже замедлились.

Если бы не необъяснимый буфер, остановивший это падение на черте 200–250 частей на миллион (мг/м³), то под вопросом оказалось бы само существование привычной нам жизни.

По мнению авторов публикации в Nature, в качестве «хранителей» в нужный момент выступили растения, но в не совсем привычной для них роли.

Как пояснил один из соавторов работы, Кен Калдейра, отложение неорганического углерода в почве тоже контролируется растениями: «Из-за повышения кислотности вокруг корней повышается растворимость углекислого газа в воде и почве, следовательно, и его отложение в виде карбонатов». Сильное падение уровня CO₂ в атмосфере не привело к массовой гибели растений, но, как продемонстрировали ученые, сказалось на их взаимодействии с почвой. В результате замедлился процесс формирования карбонатов и поглощения углекислого газа из атмосферы.

Таким образом, леса стали «классическим» химическим буфером, работающим в обе стороны: они способны как препятствовать повышению концентрации CO₂, усиливая фотосинтез, так и предотвращать его падение ниже критической отметки (200–250 ppm), замедляя отложение карбонатов.

Впрочем сейчас они нам вряд ли помогут – антропогенный фактор почти в 100 раз сильнее суммарных выбросов всех вулканов, а экологи в ближайшее время смогут уже не теоретически, а практически измерить верхнюю планку этого буфера.