Мир в пределах наноразмерной шкалы
11667
22
Особенности изучения, дизайна и применения нанообъектов в биомедицине
Как интересно сгруппированы атомы…комплимент подвыпившего учёного-физика вслед проходящей красотке
Там, внизу, полно места!
Из выступления лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана
в Калифорнийском технологическом институте в 1959 году — о мире сверхмалых размеров
К превеликому сожалению, почему-то из всех прочих именно термин «нанотехнология/и» за последнее десятилетие успел стать мишенью столь многочисленных и столь же малонаучных спекуляций, что, в свою очередь, закономерно превратился в неисчерпаемый источник вдохновения для юмора — тонкого и не слишком. Посему обо всём, что закручивается гаечным ключом, меньшим, чем на 24, речь здесь не пойдёт. Равно как не пойдёт она и о художественной литературе, в которой нанотехнологии скакнули вперёд значительно раньше, опередив действительность лет этак на сто с небольшим (тут обычно на ум приходит даже не лесковский Левша, а, скорее, таланты датских королевских портных, шивших «Новое платье Короля» у Андресена).
Но шутки шутками, а на самом-то деле эта область науки располагает к некоей серьёзности отношения к себе. Тем более что в биомедицине конструирование и применение синтетических объектов столь малых размеров, чтобы преодолевать биологические барьеры в организме и целенаправленно воздействовать на поражённую ткань, клетку или внутриклеточный аппарат, является одной из сегодняшних приоритетных задач. А дизайн таких сверхмалых объектов, которые ещё, вдобавок ко всему, были бы устойчивы к защитным механизмам (к иммунному ответу, или к воздействию протеаз) и утилизируемы (если они токсичны) с минимальным побочным эффектом — это уже фактический передний край исследований. И как бы банально это не прозвучало, в общем-то, за ним будущее. Которое кое-где уже и наступило.
Терминология
Пожалуй, в данном контексте будет уместным отделить «нанотехнологии» (nanotechnology) от «нанонауки» (nanoscience), которая почему-то, в отличие от английского языка, в русском непривычно режет слух. В июле 2004 г. экспертами Royal Society и Royal Academy of Engineering по просьбе правительства Великобритании был подготовлен доклад под названием «Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties», в котором они попытались на тот момент дать оценку возможных преимуществ развития нанотехнологий, а также сопутствующих им проблем. В этом докладе, насколько я знаю, и были впервые сформулированы отдельные определения для обоих терминов.
Нанонаука — это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.
Нанотехнологии — это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне.
Как видно из определения, отношение друг к другу эти два понятия имеют такое же, как, скажем, инженерное дело к теоретической физике. Тем не менее, одна общая их деталь — это размер изучаемого/конструируемого объекта.
Линейка оперируемых размеров
Нанометр (от греч. nanos — карлик) — мера длины, эквивалентная одной миллиардной доли метра (10-9 м). В принципе, приставка «нано» при обозначении размеров реального объекта довольно-таки формальна, поскольку если мы имеем дело с двухмерной плоскостью, то квадрат со стороной 1 нм будет иметь площадь 1 квадратный аттометр (10-18 м2). А если высчитывать объём кубика с ребром в 1 нм, то выйдет ещё более неудобоваримая цифра (10-27 м3). Исключительно в целях удобства предпочтительней оперировать цифрами с меньшим количеством нулей. Для наглядного представления о том, насколько 1 нанометр меньше одного метра, можно умозрительно сравнить между собой диаметр Земли и диаметр шарика для пинг-понга. В этой же системе координат отдельный атом будет иметь размер от десятицентовой монеты до четвертака (0.1-0.5 нм), в зависимости, конечно, от расположения элемента в Периодической таблице. Спираль ДНК (1.8-2.3 нм) будет толщиной с хороший корабельный канат, эритроцит (7 000 нм) — объёмом с Колизей, а площадь поперечного среза человеческого волоса (80 000 нм) окажется больше территории княжества Монако.
Диапазон, с которым имеет дело нанонаука — от 0.1 до 100 нм. Одна десятая нанометра, эквивалентная 1 Ангстрем (Å), считается как бы условной границей между сферой интересов биологии и физики. По двум причинам. Во-первых, эта величина приблизительно равна диаметру орбиты электрона в невозбуждённом атоме водорода, а на таких расстояниях все процессы описываются уже квантовой механикой, принципы которой одинаковы, что для органической, что для неорганической материи. Во-вторых, максимальная разрешающая способность современных сканирующих устройств ограничена в пределах тех же 0.5-1 Å, а биология, в отличие от физики — наука чуть более эмпирическая, где предпочтительнее иметь возможность если не пощупать, то хотя бы увидеть.
Визуализация сверхмалых объектов. Волновое рассеивание
Для оптических приборов угловое разрешение θ определяется дифракцией на объективе, и рассчитывается по формуле sin θ = 1.22*λ/D, где λ — это длина испускаемой волны, а D — апертура, она же диаметр входного зрачка оптической системы (в случае микроскопа им является объектив). В более общем виде дифракция должна удовлетворять условию Вульфа-Брэгга, описываемому как nλ = 2d*sin θ, то есть в случае идеальной дифракции 1-го порядка (n, sin θ, = 1) минимальное расстояние между различаемыми точками d будет равно половине длины волны.
Разрешение среднестатистического человеческого глаза составляет 0,176 мм. Предел светового микроскопа, использующего длины волн в диапазоне видимого спектра (420-760 нм), но имеющими более мощную фокусирующую линзу и, как следствие, меньшую апертуру, чем глаз, находится где-то около 0.2-0.3 мкм. Но до бесконечности уменьшать апертуру невозможно, так как, при D, меньшем длины волны, уравнение теряет смысл. Зато можно уменьшать длину волны. Именно на этом основаны методы, использующие рентгеновское рассеивание на электронных облаках атомов (а также электронная микроскопия). Длина волны в рентгеновском излучении, с которым работают в кристаллографии — порядка 1-2 Å, что соответсвует энергии фотона в 5-15 кЭв. Это относительно средняя энергия, позволяющая добиться эластичного (т. е. без потери кинетической энергии частиц) отражения при малых углах попадания луча и получить диффракционную картину с разрешением в половину этой длины. На сегодняшний день это высшая планка разрешения, с которым может быть получена информация о структуре биомолекул. Проблема заключается в том, что для того, чтобы наблюдать дифракцию рентгеновских лучей, структура образца дложна быть очень упорядоченной, с абсолютно идентичными расстояниями между соседними атомами. Иными словами, требуется некая кристаллическая решётка, получить которую, к примеру, для белка можно лишь вырастив белковый кристалл путем его осаждения из раствора. А это долгая, деликатная и, порой, весьма творческая процедура для исследователя.
Использовать же ещё более коротковолновое излучение, чем рентгеновское — гамма-излучение, не представляется возможным, так как оно обладает энергией на два порядка выше, а это настолько чудовищная величина, что фотон гамма-излучения просто выбивает электрон из атома, ионизируя его, и вместо необходимого рассеивания лучей, будет происходить их поглощение.
Восприятие «наощупь». Сканирующий туннельный микроскоп
Итак, если детализация изображения с помощью волнового рассеивания, имеет свой предел, то, вместо того, что «разглядывать» объект, почему бы принципиально не изменить подход и не попробовать изучить его осязательно. Как если бы читая книгу для слепых, написанную шрифтом Брайля, только вместо кончиков пальцев — игла с одноатомным острием. Идея красивая и изящная, однако сопряжённая с большим количеством трудностей, начиная с того, что здесь нужно полностью исключить возможность вибраций образца, а также его термических деформаций, собственно, изготовить такую иглу и, к тому же, научиться перемещать её с субатомной точностью. Решена эта проблема была в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, сотрудниками швейцарского отделения IBM, сконструировавшими первый «сканирующий туннельный микроскоп» (СТМ) и спустя уже пять лет получившими за это изобретение Нобелевскую премию.
Принцип СТМ состоит в следующем. Игла-зонд толщиной в один атом перемещается в вакууме над поверхностью образца на расстоянии где-то около одного нанометра. В соответствии законами квантовой механики возникает туннельный эффект, и электроны преодолевают вакуумный барьер между объектом и иглой, тем самым, замыкая электрическую цепь, по которой начинает течь ток. Величина тока обратно пропорциональна дистанции между концом иглы и поверхностью образца и довольно чувствительна даже к незначительному её изменению, что позволяет, следя динамикой величины тока при перемещении иглы вдоль поверхности, получать информацию о ее рельефе.
«Конструктор из кубиков»
Сканирующий туннельный микроскоп, в принципе, позволяет даже манипулирование отдельными атомами. Результат известного эксперимента, проведенного сотрудниками IBM Almaden Research Center Дональдом Эйглером и Эрхардом Швейцером в 1990 году, заключался в том, что им удалось выложить логотип компании из 35 атомов ксенона на поверхности никелевого кристалла (благо аббревиатура короткая — всего в три буквы). Годом позже подобная работа была проделана группой Джозефа Стросцио из Национального Института Стандартов и Технологий в Мэриленде (NIST) уже на атомах цезия, платины и кобальта (здесь перед исследователями стояла чуть более сложная задача, поскольку букв в названии у них было на одну больше).
Фокус манипуляции одиночными атомами с помощью СТМ основан на игре величиной электрического потенциала между иглой и контактной поверхностью. Если его увеличить, одновременно приблизив образец до дистанции порядка нескольких пикометров (10-12м), то можно спровоцировать образование ионной связи между выбранным атомом и атомом на конце иглы, тем самым, отсоединив образовавшийся ион от подложки. Затем, передвинув иглу, изменить приложенное к ней напряжение и разорвать непрочную ионную связь, вернув атом на место. Очевидно, что переместить его так можно лишь на очень незначительное расстояние — в пределах локального отрицательного заряда, сформированного оставленным электроном. Поэтому для дальних «прогулок» атом прихожится перемещать как бы прыжками между иглой и поверхностью подложки. При этом, во избежание нежелательного теплового движения температура образца должна поддерживаться близкой к абсолютному нулю (то есть около -270оС)
Это поистине ювелирный труд. К тому же возникает много технических вопросов — например, каким образом возможно перетянуть электроны от куда более электроотрицательного Xe к атому кремния, из которого обычно делаются иглы для СТМ? (В случае с металлами это ещё более или менее понятно.) Как убедиться наверняка, что захвачен именно нужный атом, а не атом из постронней примеси, если таковая попала в образец? Как добиться абсолютно гладкой двумерной решётки из атомов подложки? Когда Дональд Эйглер год назад выступал с лекцией в Чикагском университете, я задал эти вопросы ему, но ответ получился слишком пространным, чтобы его здесь приводить.
Практические перспективы от скрупулезного выкладывания мозаик из атомов в виде имён и названий, кроме как продемонстрировать технологию, пока видятся довольно смутными, хоть и заманчивыми. Но во всяком случае, этот эксперимент, пожалуй, не менее красив, чем создание миниатюрных (8-15 мкм в ширину) копий Моны Лизы с помощью анодно-окислительной нанолитографии, чем развлекались многие исследовательские группы (впервые — S. Yamamoto, Ryukoku University). Учёным не чуждо ни чувство юмора, ни чувство прекрасного.
Атомно-силовая микроскопия
Для изучения органических структур, и в том числе биообъектов, СТМ, однако, подходит далеко не лучшим образом. Из-за двух существенных ограничений. Первое — о чём уже вскользь было упомянуто выше, это необходимость помещать образец в условия вакуума, чтобы на его поверхности не осаждались посторонние молекулы (газа или раствора, в зависимости от типа эксперимента). А вакуум — увы, не совсем биологически релевантное окружение для системы. Второе, и более существенное ограничение — поверхностное сопротивление образца не должно быть больше 20 МОм/см²; иными словами, им может быть только металл или полупроводник. Для изучения диэлектриков (к примеру, алмаза) туннельный микроскоп совершенно бесполезен. Далеко же не все органические соединения обладают хорошей электропроводностью.
Оба этих ограничения обходятся с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Созданный в середине 80-х, как модификация СТМ, он позволял уже работать с любыми поверхностями и в условях как воздуха, так и водных растворов. В случае АСМ измеряемым параметром служит не величина туннельного тока, а ван-дер-ваальсовы взаимодействия между атомами зонда и образца. Они также зависят от расстояния между иглой и поверхностью, но не линейно, а как некая функция, где изначальная сила межатомного притяжения, дойдя до точки перекрытия их электронных облаков, сменяется на противоположную силу отталкивания. Конструкция сканирующей иглы в атомно-силовом микроскопе иная, чем в СТМ — здесь она закреплена на гибкой консоли — кантилевере (от англ. cantilever), на внешнюю поверхность которого направляется луч лазера и, отражаясь, попадает на фотодетектор. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. При сканировании любая неровность под остриём, будь то возвышенность или углубление, приводит к изменению этой силы и, как следствие, к изменению величины изгиба кантилевера. Это фиксируется положением отраженного лазерного луча на фотодетекторе, и на основании его перемещения, можно анализировать рельеф поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, в АСМ нет необходимости использовать иглу толщиной в один атом, и даже более того, игла не должна быть настолько острой, иначе регистрируемый с неё сигнал будет слишком слабым.
Меняя рабочее расстояние и, соответственно, характер действия силы между кантилевером и поверхностью образца, атомно-силовой микроскоп можно настроить на работу в трёх режимах — контактном («contact mode»), полуконтактном («tapping mode») и бесконтактном («non-contact mode»). В контактном режиме острие кантилевера непосредственно соприкасается (перекрывая электронные облака) с поверхностью образца и как бы «скребёт» по нему, причём с неменяющейся силой (то есть при постоянной величине изгиба консоли). Из плюсов здесь: высокая скорость сканирования, помехоустойчивость и, пожалуй, контактный режим АСМ — единственный позволяет достичь атомарного разрешения изображения. Однако он непригоден для работы с материалами, имеющими малую механическую жёсткость, которая присуща почти всем биологическим макромолекулам.
При работе в бесконтактном режиме зонд постоянно находится на некотором удалении (не допуская перекрытия электронных орбиталей) от исследуемого объекта и в отсутствие посторонних воздействий осциллирует на определенной частоте. В случае приближения к атомам поверхности изменение силы притяжения, действующей на зонд с их стороны, приводит к сдвигу амплитуды и фазы его колебаний, что и будет фиксироваться датчиками. Тем не менее, здесь присутствует тот же недостаток, что и в случае с СТМ — между зондом и образцом не должно быть ничего постороннего. Иными словами, атомно-силовой микроскоп в бесконтактном режиме может функционировать, опять же, лишь в условиях вакуума. Поэтому для работы с биообразцами наиболее оптимален «tapping mode», являющийся как бы промежуточным вариантом между первыми двумя (то есть кантилеверу точно так же задаётся некая частота колебаний, однако таким образом, чтобы в нижнем их полупериоде он касался поверхности). Именно так сегодня и получают наиболее детализированную картину биологического мира.
Физические законы в микромире
Теперь, собственно, о том, как устроены нанообъекты, как они работают, как их модифицируют под ту или иную конкретную задачу, а также какое применение им находят в практической медицине или фармацевтике. Разумеется, по большей части, они не имеют ничего общего ни с какими нанороботами, столь любимыми сценаристами фантастических кинофильмов и изображаемыми ими в виде миниатюрных крабов с паучьими ногами и иглой для внутриклеточных инъекций или ещё чего-то подобного. Хотя т. н. «наномоторы», работающие по принципу ротора или коленвала двигателя прекрасно существуют. Их изобретать и не нужно — они уже придуманы и реализованы в природе: в электрон-транспортной цепи митохондрий и хлоропластов (АТФ-аза/АТФ-синтаза), в транскрипционном и белоксинтезирующем аппаратах (РНК-полимераза, обратная транскриптаза ВИЧ, рибосома и так далее), в цитоскелете (миозин и прочие моторные белки), в клеточной локомоции (базальное тело бактериального жгутика). И много где ещё. Однако из-за сложности сборки созданные синтетические аналоги таких наномоторов пока единичны.
Стандартная же наночастица, потенциально пригодная для медицинских целей, обычно имеет конструкцию самую что ни на есть простую и представляет собой кластер из, ну скажем, нескольких тысяч атомов. Весь трюк заключается вовсе не в сложности строения, а в том, что на атомарном уровне материя проявляет несколько иные свойства — отличные от тех, которыми вещество обладает в привычном макромире. Поэтому с уменьшением размера частицы, начиная с какого-то момента она начинает работать кардинально иначе, чем просто миниатюрная копия макрообъекта. Причин тому несколько.
Во-первых, согласно галилеевскому закону квадрата-куба, если физическое тело уменьшить в размерах, то его объём сократится пропорционально третьей степени коэффициента уменьшения, в то время как площадь его поверхности — пропорционально только второй степени. Таким образом, чем меньше частица, тем выше в ней доля атомов, расположенных на её поверхности, а значит, их вклад в её свойства становится определяющим. Поскольку силы взаимодействия между атомами, составляющими объект, не скомпенсированы на его поверхности, свойства поверхностных атомов отличаются от свойств этих же атомов в объеме. На макроуровне эта разница проявляется в хорошо известных явлениях — поверхностном натяжении, капиллярном эффекте, смачивании, адсорбции и так далее. Для отдельной наночастицы изменение соотношения общего числа атомов к числу атомов на поверхности может привести, например, к иным адгезионным свойствам. Если же мы имеем дело с более крупной конструкцией, состоящей из множества наночастиц, это также будет означать, что суммарная площадь его поверхности будет во много раз больше, чем у цельного куска вещества одинакового объёма. И, соответственно, за счёт большей контактной поверхности химическая реакция, протекающая между малыми частицами и средой, будет идти интенсивнее, что ещё с начала XX века используется в коллоидной химии.
Вторая причина непосредственно вытекает из того же закона и заключается в том, что величина физических сил, воздействующих объект, тоже претерпевает изменения вместе с его уменьшением. Поскольку его масса при сохранении неизменной плотности материала будет уменьшаться аналогично объёму, и значит, быстрее диаметра его поперечного сечения, то механическая нагрузка на уменьшенную копию будет намного слабее. Иными словами, любая наночастица обладает поистине громадным запасом прочности.
И наконец, сверхмалые размеры объекта накладывают определённые ограничения на его перемещение в пространстве. Основной гидродинамической характеристикой, описывающей механику движения предмета в водных растворах, является число Рейнольдса, высчитывающееся как Re = ρUL/μ — то есть обратно пропорциональное вязкости среды (μ) и прямо пропорциональное его размеру (L). Если для плывущего в воде (ρ=1 г/см3) человека число Рейнольдса будет где-то 105, то для микрометровой бактерии, плывущей там же — на десять порядков ниже. Это означает, что для неё водная среда субъективно ощущается настолько же вязкой, насколько для нас — глицерин или концентрированный сахарный сироп. По сути, бактерия не плывёт, а как бы подтягивается с помощью пилей, как альпинист на крюках, так как сила инерции в её микромире отсутствует. Для наноразмерных объектов число Рейнольдса еще в десятки тысяч раз меньше, поэтому перед ними обычно встаёт практически неразрешимая проблема — как сделать движение более управляемым и быстрым, чем путём простой диффузии.
Наночастицы в онкодиагностике и молекулярной терапии
Сама по себе любая наночастица не функциональна. Её основная роль, как и любого транспортного перевозчика — всего лишь доставить нужный «груз» по нужному адресу. И этот «груз» в лице биологически активных молекул должен быть либо закреплён на её поверхности, либо заключен внутрь (если наночастица имеет полость). Для более направленного действия она, помимо содержимого, может также нести на себе молекулы-лиганды (например, антитела), специфически взаимодействующие с рецепторами на поверхности клеток-мишеней. Этакий аналог почтовой марки или адреса на конверте. После чего такая функционализированная наночастица уже носит название нановектора.
В зависимости от несомого «груза» нановекторы в медицине могут быть применены либо с целью диагностики, либо для избирательной доставки лекарств к пораженным тканям. Первое удобно для своевременного выявления раковых заболеваний, в частности, для визуализации опухоли на начальной стадии онкогенеза. А также в дальнейшем — чтобы отследить пути метастазов. Причём, маркером может служить как флюоресцентный белок, так и намагниченный железосодержащий компонент или же радиоактивный изотоп. Во втором случае, использование нановекторов теоретически должно снижать побочное воздействие химиотерапии на прилегающие нетрансформированные клетки.
С точки зрения происхождения, а также своего строения нановекторы можно классифицировать на модифицированные природные, куда относятся:
• Липосомы и аполипопротеины (lipid-based nanoparticles) — в естественных условиях чаще всего отвечают за транспорта холестерина и его производных по кровеносной системе. Имеют структуру микропузырьков (от 20 нм в диаметре), стенки которых состоят из двойного слоя молекул фосфолипидов. Лиганды к рецепторам клеток-мишеней в этом случае обычно встроены в стенки пузырька. «Груз» помещается внутрь и по достижении цели высвобождается с разрушением оболочки. Хороши тем, что не требуют выведения из организма остатков разрушенной наночастицы, так как все составляющие её компоненты легко используются в дальнейших реакциях метаболизма.
• Наночастицы вирусной природы — в основном, представляют из себя пустой белковый капсид вируса с извлеченным из него геномом и замещенным на необходимый «груз».
• Ферритин — белковый комплекс, выполняющий в природе роль внутриклеточного депо железа. В некоторых случаях атомы железа в нем искусственно могут быть заменены на атомы других металлов.
и синтетические
• Квантовые точки (quantum dots) — нанокристаллы проводника или полупроводника, настолько малые, что их электронные и оптические свойства занимают промежуточное положение между объёмным полупроводником и дискретной молекулой. Могут быть покрыты слоем адсорбированных молекул «груза».
• Более крупные наночастицы на основе металлов (чаще всего это золото, молибден, или оксид железа).
• Углеродные трубки (carbon nanotubes) — цилиндрические структуры, состоящие из свернутых в трубку моноатомных гексагональных графитовых листов.
• Дендримеры (dendrimers) — макромолекулы, имеющие древообразную ветвящуюся структуру.
• Гидрогели (hydrogels) — строго говоря, это и не наночастицы, а скорее, контейнер для них: желеобразное пористое вещество значительного объёма, но с наноразмерными полостями внутри, в которые и помещён «груз». Скорость его высвобождения из геля и, как следствие, достижение мишени может регулироваться за счёт разной конфигурации пор.
При всём, казалось бы, разнообразии всевозможных нановекторов, работа с любым из них внутри человеческого организма предварительно потребует решения, как минимум, трёх серьёзных задач. В первую очередь — это утилизация отработанного материала. Особенно если речь идет о наночастицах с высокой токсичностью (например, построенных на основе тяжелых металлов). Затем — тканеспецифичность. Так как здоровые клетки зачастую тоже могут нести на себе рецепторы, характерные для клеток опухоли (просто не в тех количествах), то письмо даже с правильно подписанным адресом иногда будет приходить не по верному адресу. А идеальных поверхностных маркеров, со стопроцентной точностью отличающих раковую клетку от обычной, не существует. И наконец — подавление нежелательного воспалительного ответа иммунной системы на введение на чужеродных тел.
Есть множество путей решений этих проблем, и с тех пор, как в 1995 году антрациклиновый антибиотик Доксорубицин, инкапсулированный в липосомы (Doxil™), был впервые использован в качестве нановектора для лечения саркомы Капоши, несколько десятков других сейчас уже успешно созданы, протестированы и одобрены к применению против различных заболеваний Федеральным Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (Food and Drug Administration, FDA). Ещё около четырёх сотен на настоящий момент находятся на стадии клинических испытаний. Поэтому нанотехнологии в биомедицине — это даже не завтрашний день; это уже день сегодняшний.
Литература:
Richard Feynman’s classic 1959 talk: There’s Plenty of Room at the Bottom
Eigler D, Schweizer E. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature, 1990 Apr 5; 344: 524–526.
Stroscio J, Eigler D. Atomic and Molecular Manipulation with the Scanning Tunneling Microscope. Science, 1991; 254(5036), 1319-1326.
Stroscio J, Tavazza F, Crain J, Celotta R, Chaka A. Electronically induced atom motion in engineered CoCu nanostructures. Science, 2006; 313, 948-951.
Morita S. Atom world based on nano-forces: 25 years of atomic force microscopy. J Electron Microsc (Tokyo), 2011 Aug 1; S199-S211.
Hu Y, Fine D, Tasciotti E, Bouamrani A, Ferrari M. Nanodevices in diagnostics. Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 2011 January; 3(1): 11–32.
Nune S, Gunda P, Thallapally P, Lin Y, Forrest M, Berkland C. Nanoparticles for biomedical imaging. Expert Opin Drug Deliv. 2009 November; 6(11): 1175-94.
Cormode D, Jarzyna P, Mulder W, Fayad Z. Modified natural nanoparticles as contrast agents for medical imaging. Adv Drug Deliv Rev. 2010 Mar 8; 62(3): 329–338.
De Jong W, Borm P. Drug delivery and nanoparticles: Applications and hazards. Int J Nanomedicine. 2008 June; 3(2): 133–149.
Shi J, Votruba A, Farokhzad O, Langer R. Nanotechnology in Drug Delivery and Tissue Engineering: From Discovery to Applications. Nano Lett. 2010 Sep 8; 10(9): 3223–3230.
15.05.2013
НАПИСАТЬ НАМ
НАД МАТЕРИАЛОМ РАБОТАЛИ
1230 публикаций
ФИЗИКАТЕХНОЛОГИИНАНОТЕХНОЛОГИИАТОМНАНОНАУКАЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИЖУРНАЛ
Поддержите ПостНауку в Patreon
ВИДЕО
24805 507
Математическое моделирование и вычислительная математик…
ПРОМО
Вы нужны нам: как поддержать ПостНауку
ПРОМО
ПостНаука запускает онлайн-курсы
ВИДЕО
3400
ПРОМО
ПостНаука.Academy запускает онлайн-курсы
ВИДЕО
2523 11
Автоволны
ПРОМО
ВИДЕО
20858 158
БЛОГ
ЖУРНАЛ
Главы | Спокойной ночи, мозг
50792
32
Отрывок из книги «Еда и мозг» невролога Дэвида Перлмуттера о важности здорового сна, стрессе и гормонах, ответственных за аппетит
Совместно с издательством
"Манн, Иванов и Фербер" мы публикуем главу из книги "Еда и мозг. Что углеводы делают со здоровьем, мышлением и памятью" невролога Дэвида Перлмуттера о том, почему работа нашего мозга зависит от качества и количества сна.Когда 48-летний биржевой брокер Самуэль пришел ко мне на прием одним ноябрьским вечером, то попросил меня «наладить его здоровье». Со мной это было не впервые, нередко ко мне обращались с такой общей и слегка размытой просьбой. Но я знал, чего на самом деле он хотел: Самуэль хотел, чтобы я проникся его страданием и помог ему впервые почувствовать себя человеком, пышущим здоровьем. Это сложная задача для любого доктора. Тем не менее в одутловатом лице пациента было нечто такое, что мгновенно навело меня на мысль о его возможной проблеме. Изучив анамнез и основные жалобы, я выяснил, что Самуэль страдал сниженной функцией щитовидной железы и получал определенные препараты. Он сказал, что его жизнь полна стрессов, но общее состояние оценил как хорошее. Мне было не за что зацепиться, кроме прошлых проблем со здоровьем, но внезапно пациент сообщил, что у его сына в младенчестве отмечалась чувствительность к твердой пище, а впоследствии диагностирована чувствительность к глютену. Начав углубляться в проблему со щитовидной железой, я выяснил, что Самуэль страдал аутоиммунным заболеванием — тиреоидитом Хашимото.
Результат дальнейшего обследования показал, что у него была очень высокая чувствительность к глютену: уровень только одного из 24 изученных антител был в пределах нормы. Самуэль отчаянно нуждался в рационе без клейковины.
Через четыре месяца после того, как он начал придерживаться диеты, я получил от него письмо, которое невольно заставило меня улыбнуться. Самуэль признался, насколько несчастным был в момент, когда решился записаться ко мне на прием. Очевидно, он лукавил, когда описал свое здоровье словом «хорошее». Судя по всему, все было далеко не хорошо. Он писал: «Прежде чем у меня диагностировали гиперчувствительность к глютену, казалось, что я падаю в пропасть… Несмотря на то что мне было чуть больше сорока, меня преследовало постоянное ощущение вялости. Мое настроение менялось в мгновение ока, и я срывался по мелочам. …Теперь я снова стал старым добрым беззаботным человеком, переполненным энергией, которой хватает на весь день. Сейчас я хорошо сплю по ночам, а боль в суставах прошла. Я снова могу ясно мыслить и не отвлекаться во время работы. Но и это не самое приятное: жир вокруг моей талии, от которого я никак не мог избавиться, в буквальном смысле слова растаял в течение двух недель».
Несмотря на то, что Самуэль не упомянул о проблемах со сном, когда я проводил первый осмотр, у меня возникло ощущение, что крепкий сон давно обходил его спальню стороной. Он выглядел измотанным. Многие мои пациенты до лечения страдают бессонницей. Для них это становится настолько привычным состоянием, что они забывают, что значит хорошо спать по ночам, пока снова не испытают удовольствие проснуться отдохнувшими. Возможно, Самуэль думал, что здоровый сон — всего лишь побочный эффект диеты, не содержащей глютен. Но за этим стоит нечто большее. Многие из нас недооценивают пользу сна, но это на самом деле один из самых ценных в жизни капиталов, который, во-первых, достается нам бесплатно, а во-вторых, жизненно важен для нашего благосостояния. Кроме того, сон — основной инструмент в борьбе против дегенеративных заболеваний мозга, и об этом вам как раз предстоит узнать.
Научные основы сновидений
Сегодня, как никогда раньше, мы понимаем всю ценность сна с научной точки зрения. Доклинические и клинические исследования продемонстрировали, что работа практически всех систем организма — особенно мозга — зависит от качества и количества сна. Среди многих доказанных преимуществ можно выделить его способность регулировать, сколько мы едим, насколько быстро происходит обмен веществ, толстеем мы или худеем, можем ли бороться с инфекциями, насколько креативными и проницательными можем быть, хорошо ли справляемся со стрессом, насколько быстро мы способны обрабатывать информацию, получать новые знания, организовывать воспоминания и хранить их. Здоровый сон, который для большинства из нас предполагает по крайней мере семь часов подряд, также оказывает влияние на наши гены.
В начале 2013 года английские ученые выяснили, что нехватка сна в течение одной недели изменяла работу 711 генов, включая те, которые отвечают за стресс, воспаление, иммунитет и метаболизм. Все, что оказывает отрицательное воздействие на эти важные функции организма, оказывает влияние и на мозг. Мы зависим от этих генов — ведь именно они обеспечивают постоянную поставку белков, отвечающих за восстановление поврежденной ткани. Несмотря на то, что мы не всегда можем заметить побочные эффекты плохого сна на генетическом уровне, мы, безусловно, ощущаем признаки хронической его нехватки: растерянность, ухудшение памяти, спутанность сознания, снижение иммунитета, ожирение, сердечно-сосудистые заболевания, диабет и депрессия. Все эти состояния тесно связаны с мозгом.
Мы уже смирились с тем, что некоторые из нас отказываются от сна в пользу других потребностей организма. Эксперты сегодня концентрируются не только на его количестве, но и на качестве, то есть на его способности восстанавливать мозг. Что лучше: крепко спать в течение шести часов или восьми, но беспокойно? Возможно, кому-то покажется, что на такие вопросы легко ответить, и что мы знаем о сне все, что необходимо. Но наука все еще пытается разгадать, какое воздействие он оказывает на мужчин и женщин. Как раз когда я занимался написанием этой главы, было опубликовано новое исследование об «удивительном влиянии сна на аппетит». Как оказалось, гормоны, на которые влияет недосыпание, отличаются у мужчин и женщин. Хотя исход аналогичен для обоих полов — склонность к перееданию, — лежащий в основе импульс к утолению голода различается. Что касается мужчин, недостаточный сон приводит к повышению уровней грелина — гормона, повышающего аппетит. У женщин недосыпание никак не влияет на грелин, но при этом снижает уровни глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП1) — гормона, подавляющего аппетит. Безусловно, тонкая грань может показаться несущественной, ведь в результате мы все равно приходим к аналогичному исходу — начинаем больше есть, но именно этот факт и подтверждает, насколько плохо мы осведомлены о том, каким образом биохимия организма в целом реагирует на сон.
Если нам чтолибо известно о нем наверняка, так это то, что с возрастом спать становится все сложнее. Данный факт обусловлен рядом причин, многие из которых связаны с медицинскими состояниями, способными нарушить даже самый крепкий сон. 40% людей в возрасте лишены крепкого сна из-за таких хронических проблем, как апноэ и бессонница.
Доказана связь между нарушениями сна и снижением когнитивных способностей. Кристин Йоффе, психиатр из Калифорнийского университета, изучает людей в группе риска развития когнитивных расстройств и слабоумия. В своей клинике расстройств памяти она нашла общий знаменатель для самых распространенных жалоб пациентов — им всем сложно заснуть и не просыпаться в течение ночи. Пациенты сообщают, что на протяжении дня они чувствуют себя уставшими и им приходится делать небольшие перерывы на сон. Когда Йоффе провела несколько исследований, проанализировав за пять лет более 1300 взрослых в возрасте за 75, она отметила, что у людей с нарушением дыхания во сне или апноэ вероятность развития слабоумия с течением времени в два раза выше. Пациенты, страдающие от нарушений естественного суточного биоритма, или те, кто часто просыпался среди ночи, также находились в группе повышенного риска.
Суточный биоритм — сердце и душа нашего благополучия. Уже примерно в шестинедельном возрасте у нас вырабатывается модель повторяющейся активности, связанная с циклами дня и ночи, которая сохраняется на протяжении всей жизни. Подобно закатам и рассветам, эти ритмы повторяют себя примерно каждые двадцать четыре часа. Мы живем в соответствии с разнообразными циклами, совпадающими с 24часовыми солнечными сутками: от цикла сна—бодрствования до установившихся биологических ритмов — повышения и снижения уровня гормонов, перепадов температуры тела, а также увеличения и уменьшения количества определенных молекул, которые оказывают положительное влияние на наше здоровье. Когда наш ритм находится не в гармонии с двадцатичетырехчасовыми солнечными сутками, мы чувствуем себя разбитыми или уставшими: именно это происходит в момент, когда мы, пересекая часовые пояса, заставляем организм быстро адаптироваться к новому циклу.
Создается впечатление, что многие люди не осознают, насколько тесно их биоритм укоренился в привычках, связанных со сном, и до какой степени он контролируется мозгом. Самый очевидный пример — температура тела, которая поднимается в течение дня, слегка снижается после обеда (отсюда и желание сделать перерыв на сон во второй половине дня), достигает максимума к вечеру, а затем снижается ночью — и все это следствие активности определенных гормонов в организме. Ранним утром температура находится на самом низком уровне, символизируя начало нового цикла. Это связано с тем, что уровни кортизола достигают максимума утром, а в течение дня снижаются. Люди, которые работают посменно, находятся в группе повышенного риска развития серьезных заболеваний.
Поэтому, когда в следующий раз вы будете чувствовать беспричинную усталость, перепады настроения, голод, жажду, заторможенность мышления, проблемы с памятью или даже тревогу, агрессию или возбуждение, задумайтесь о том, как вы спите в последнее время, чтобы понять истинную причину такого состояния. Достаточно будет сказать, что мы нуждаемся в надежной модели чередования бодрствования и здорового сна, чтобы регулировать работу гормонов.
Мы сконцентрируемся на одном из них, о котором практически все забывают, недооценивая его важность, — на лептине. Это бессменный координатор воспалительного ответа организма, который находится под огромным влиянием сна и помогает понять, испытываем ли мы потребность в углеводах.
Чем толще вы, тем меньше мозг
Открытие лептина, поразившее медицинское сообщество и навсегда изменившее не только взгляд на человеческое тело и его сложную гормональную систему, но также на сон и его истинную ценность, про изошло в 1994 году. Стоило предположить, что мы уже изучили все гормоны и их функции, как на горизонте появился новый, о существовании которого раньше и не подозревали. Возможно, это открытие запоздало по той причине, что лептин был найден в несвойственном для гормона месте — в жировых клетках.
Я уже говорил, что раньше эти клетки были для нас не более чем камерой, упакованной ненужными калориями, — скажем так, запасами на черный день. Но сейчас достоверно известно, что жировая ткань участвует в физиологических процессах так же интенсивно, как и другие жизненно важные органы, и все это благодаря лептину, который решает, будет ли у нас в конечном счете большой живот и, как следствие, маленький мозг. Если говорить простым языком, лептин — примитивный инструмент выживания. Он тесно связан с координированием метаболической, гормональной и поведенческой реакции в ответ на голод. Этот гормон оказывает мощнейший эффект на наши эмоции и поведение. Лептин — своего рода хранитель, стоит понять его устройство, и вы будете точно знать, как регулировать остальную гормональную систему, чтобы в итоге научиться виртуозно управлять
своим здоровьем.
Несмотря на то, что лептин находится в жировых клетках, это совсем не значит, что он плохой. В избыточном количестве он действительно может привести к проблемам, например к дегенеративным расстройствам. Но здоровые уровни лептина способны предотвратить большинство заболеваний, связанных со старением, тем самым продлевая жизнь. Чем выше ваша чувствительность к этому критически важному гормону, тем здоровее вы будете. Под чувствительностью я понимаю то, каким образом ваши рецепторы воспринимают лептин и используют его. Нора Гедгаудес, признанный специалист в области диетологии, дает краткое определение лептину в книге «Первобытное тело, первобытный разум»: «Лептин полностью контролирует метаболизм млекопитающих. Большинство людей полагают, что эту функцию выполняет щитовидная железа, но в действительности именно лептин регулирует скорость обмена веществ. Именно он решает, что делать с жиром: заставить нас почувствовать голод и накопить жир или же сжечь его. Лептин управляет воспалительной реакцией и может координировать работу нервной системы. Если какая-либо часть гормо нальной системы работает неправильно, едва ли вы сможете полностью решить свои проблемы, пока не возьмете под контроль уровень
лептина».В следующий раз, когда вы отложите вилку и встанете из-за обеденного стола, скажите спасибо этому гормону. Когда ваш желудок наполняется, жировые клетки выделяют лептин, чтобы передать мозгу сигнал, что настало время остановиться. Это ваши тормоза. И это объясняет, почему люди с низким уровнем лептина склонны к перееданию.
Исследование 2004 года, которое считается эпохальным, показало, что у людей с 20%-ным снижением уровня лептина чувство голода и аппетит увеличивались на 24%, вследствие чего они употребляли в пищу продукты с высоким содержанием калорий и углеводов: сладости, соленые снеки и продукты, содержащие крахмал. Что же послужило причиной такого падения уровня лептина? Недостаток сна.
У лептина и инсулина много общего, хотя они и противодействуют друг другу. Это две провоспалительные молекулы. Сам по себе лептин — цитокин. Он контролирует создание других воспалительных молекул в жировой ткани организма. И это объясняет, почему люди, страдающие избыточным весом и ожирением, подвержены различным воспалениям. Лептин и инсулин — важные персоны в управленческом звене организма, поэтому связанные с ними нарушения, как правило, спускаются вниз по спирали, нанося серьезный ущерб практически всем системам, захватывая даже те, которые не контролируются напрямую этими гормонами. Но и это еще не все. На лептин и инсулин отрицательно воздействуют одни и те же вещества, а самые страшные их враги — углеводы. Я уже рассказывал, как возникает инсулинорезистентность. Та же история и с лептином. Когда организм перегружен и подавлен веществами, вызывающими постоянные скачки уровней лептина, рецепторы лептина начинают выключаться, а у вас развивается устойчивость к этому веществу. Вы остаетесь один на один со своим телом, подверженным заболеваниям и всевозможным дисфункциям. Поэтому, несмотря на то, что уровни лептина повышены, он не выполняет свою основную функцию: не передает в мозг сигналы, что вы наелись. В результате вы не можете остановиться и продолжаете есть. А это грозит прибавкой в весе и ожирением, что чревато риском нарушения мозговой деятельности.
Ни один из известных в мире препаратов не способен нормализовать уровень лептина. А вот здоровый сон и здоровое питание обязательно помогут.
Обратная сторона медали: грелин
Еще один связанный с аппетитом гормон, о котором стоит упомянуть, прежде чем я продолжу свой рассказ, — это грелин. Они с лептином как инь и ян. Грелин вырабатывается желудком, когда он пуст, повышая тем самым аппетит. Он посылает в мозг сигнал, что вам необходимо поесть. Неудивительно, что нарушенное равновесие между лептином и грелином нанесет урон вашим вкусовым пристрастиям, ощущению наполненности желудка, способности противостоять искушениям на кухне, а значит, навредит вашей талии. Как показали исследования, уровни грелина у мужчин взлетали до небес в ответ на нарушение режима сна. Это провоцировало повышение аппетита и склонность к злоупотреблению продуктами с высоким содержанием углеводов и низким содержанием питательных веществ, которые легко превращаются в жир практически сразу после попадания в рот. Когда гормоны аппетита ведут себя ненадлежащим образом, нарушаются связи между мозгом и желудком. Вы ошибочно полагаете, что голодны, получая импульсы, которым сложно противостоять, вожделея те продукты, которые только замкнут порочный круг образования жира, повышая тем самым риск развития нарушений и заболеваний головного мозга. Проще говоря, если вы неспособны контролировать голод и аппетит, остается только пожелать вам удачи в управлении биохимией крови, метаболизмом, размером талии и, что самое главное, перспективой повреждения мозга, которая маячит на горизонте. На третьей неделе разработанной мною программы я попрошу вас сконцентрироваться на здоровом сне, чтобы вы смогли контролировать гормоны, оказывающие прямое влияние на судьбу вашего мозга. И вам не придется прибегать к разнообразным веществам, помогающим заснуть. Лучший сон для мозга — естественный.
02.10.2014
НАПИСАТЬ НАМ
НАД МАТЕРИАЛОМ РАБОТАЛИ
издательство деловой литературы
БИОЛОГИЯ
1230 публикаций
БИОЛОГИЯ
МОЗГГЕНЕТИКАНЕЙРОБИОЛОГИЯГЕНИММУНИТЕТСТРЕССЛЕПТИНГЛЮТЕНГРЕЛИНЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИЖУРНАЛ
Самоорганизация в полимерных системах
3737
5
Физик Алексей Хохлов о физике мягкой материи, методах скейлинга и компьютерном моделировании полимерных материалов
Как связаны самоорганизация и энтропия в полимерных системах? Чем способность полимеров к самоорганизации важна для формирования живых систем? Как методы компьютерного моделирования могут помочь в изучении ДНК? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Хохлов.
Прежде всего напомню, что такое полимеры. Полимеры — это длинные молекулярные цепочки, то есть атомные группы, соединенные в цепочку ковалентными химическими связями, это полимерные молекулы. И в принципе, говоря о самоорганизации, давайте сначала вспомним, как организуются обычные низкомолекулярные системы, которые грубо можно представить в виде шариков или маленьких молекулярных групп.
Еще из курса средней школы мы знаем, что все фазовые состояния вещества — это газы, жидкости и твердые тела, причем твердые тела понимаются как кристаллические твердые тела. Давайте с этой точки зрения рассмотрим полимерные системы. Они какие: жидкие, газообразные или твердые? Полимеры — это длинные молекулы, очень трудно провести их возгонку и перевести в газообразное состояние. Полимерных газов практически не существует.
Что касается полимерных кристаллов, монокристаллов, то их тоже практически невозможно получить. Почему? Потому что, когда вы, скажем, понижаете температуру и в полимерной системе идет кристаллизация, она идет одновременно в разных частях этой системы. И кристаллы, образуясь, блокируют возможные перемещения этих длинных полимерных цепочек. Они оказываются как бы встроены в несколько кристаллитов. И очень скоро все замораживается, совершенный монокристалл не образуется, а образуется смесь кристаллических областей, аморфных прослоек и так далее. Так что полимерных кристаллов тоже нет.
И что, назвать все полимерные системы жидкостями? В принципе это правильно. В полимерах нет дальнего порядка, с точки зрения строгой физики это жидкость. Однако на самом деле кроме полимеров таких систем очень много, например стекла, неполимерные стекла или какие-то сложные частично аморфные, частично кристаллические материалы. На самом деле бо́льшая часть материалов, которые нас окружают, — это именно такие материалы. Совершенных монокристаллов в окружающем нас мире очень мало. Поэтому практически любой твердый материал обладает такими характеристиками.
Для описания такого класса материалов в конце XX — начале XXI века возник термин soft matter physics, по-русски — физика мягкой материи. Как иногда говорят некоторые мои коллеги, такие hardcore-физики, «вы изучаете мягкое и мокрое». На самом деле мягкого и мокрого вокруг нас очень много, и мы сами мягкие и мокрые, поэтому это очень важная вещь. И действительно, soft matter physics начала очень бурно развиваться в самом конце XX века и, пожалуй, в первые десятилетия XXI века, и это одна из наиболее модных, с одной стороны, и, с другой стороны, быстроразвивающихся областей физики. И для этой области очень важным является понятие самоорганизации, и полимеры в этом не являются исключением.
Самоорганизация — это ситуация, когда микроструктура материалов складывается сама собой за счет теплового движения.
То есть архитектура молекул и взаимодействие молекул таковы, что в результате этого взаимодействия просто под воздействием теплового движения возникают структуры, обладающие неким масштабом, некой сложной организацией и так далее. Это и есть самоорганизация. То есть не то, что мы чертим что-то, — это подход, как говорят в нанотехнологиях, «сверху вниз», а сами структуры возникают в результате теплового движения, то есть как бы подход «снизу вверх». С этой точки зрения полимеры очень подвержены самоорганизации, они, пожалуй, гораздо лучше самоорганизуются, чем другие материалы.
И давайте посмотрим, почему это так. На самом деле, если вы посмотрите на структуру полимерной цепочки, каждое звено обязательно связано с двумя соседями. С точки зрения физики это означает, что у звена полимерной цепочки нет свободы независимого трансляционного движения, оно обязательно связано: если какая-то часть полимерной цепочки идет куда-то, то и соседние звенья идут туда же. А с трансляционным движением всегда связано понятие энтропии трансляционного движения, и эта энтропия, как правило, очень большая, она больше, чем многие другие вклады в энтропию. И этого вклада в полимерных системах вообще нет. Трансляционно цепочка может двигаться как целое, но не как отдельное мономерное звено. Поэтому все мы говорим — и это уже ходовое выражение, — что полимерные системы бедны энтропией, бедны энтропией именно потому, что энтропии трансляционного движения в полимерных системах нет.
У нас есть два вклада: вклад энергии и вклад энтропии. Энергия связана с взаимодействием атомных групп. Как правило, энергия приводит к тому, что вещество как-то упорядочивается. Есть энтропия, которая связана с тепловым движением: чем больше энтропии, тем больше разупорядочение. И если полимерные системы бедны энтропией, то это означает, что, по сути, они очень подвержены самоорганизации, потому что энергия всегда побеждает энтропию или во многих случаях побеждает энтропию в полимерных системах, в гораздо большем количестве случаев, чем для малых молекул. Нет энтропии трансляционного движения, и поэтому даже слабые изменения, слабые взаимодействия приводят к очень существенным драматическим изменениям в полимерной конформации.
Мы можем рассмотреть такой простейший пример. Представьте себе, что у вас есть шарики — атомы, молекулы — и есть идеальный газ этих шариков. Включаете слабое притяжение шариков. Изменится что-то по сути? Изменится очень мало. Будет слабый, неидеальный газ, будут немного другие законы, описывающие этот газ, но по сути это останется газ. До конденсации, до того, чтобы этот газ сконденсировался в жидкость, еще очень далеко. Если это очень слабое взаимодействие, много меньше, чем тепловая энергия kT. Теперь те же шарики, соединенные в длинную цепочку. У вас фактически что получается? Даже если вы вводите очень небольшое притяжение между этими шариками, это уже приводит к драматическим изменениям, по сути дела, к тому, что рыхлый полимерный клубок схлопывается в плотную глобулу. Уже при малых энергиях гораздо меньше энергии теплового движения kT. Почему это так? Потому что вам важна не энергия в расчете на одно звено, а энергия в расчете на цепочку, а в цепочке очень много звеньев.
Итак, полимерные системы способны к самоорганизации. Именно поэтому природа и выбрала полимеры, чтобы создать живые системы. Очень слабые взаимодействия в полимерных системах, очень слабые взаимодействия на ДНК, белки, полисахариды приводят к существенным конформационным изменениям. Поэтому самоорганизация в полимерных и биополимерных системах — это важное свойство, и именно поэтому, в общем, существует громадное количество научных работ, посвященных самоорганизации в полимерах.
Я начал с того, что полимеры — это очень важный раздел, один из ключевых разделов физики мягкой материи, soft matter physics. На самом деле язык, которым мы оперируем и в soft matter, и в полимерах — я имею в виду в физике полимеров, — он немного отличается от того языка, к которому привыкли люди, изучающие чисто кристаллические твердые тела. В частности, я хотел бы обратить внимание на два аспекта.
Во-первых, в soft matter и в полимерах гораздо большую роль играют так называемые скейлинговые рассуждения.
Что значит скейлинг? Это значит, что мы смотрим на зависимости свойств системы от различных параметров и пытаемся с помощью таких простейших соображений, связанных с характерными масштабами, понять, какие будут зависимости от параметров, входящих в систему. Например, в полимерах очень часто мы смотрим, как свойства материала зависят от длины, от N, от длины полимерной цепочки или от концентрации, если речь идет о полимерном растворе, и так далее. Там возникают в связи с самоподобием полимерных цепей так называемые степенные зависимости от различных параметров. Больше внимания скейлинговым законам по сравнению с точными аналитическими расчетами — это характерно и для физики полимеров, и в целом для soft matter physics.
И второе, на что следует обратить внимание, — это очень большая роль компьютерных вычислений, компьютерного моделирования. На самом деле в области полимеров чисто аналитические вещи, которые обычно очень созвучны скейлингу. Французский ученый Пьер Жиль де Жен в 1992 году получил Нобелевскую премию как раз за разработку методов скейлинга применительно к науке о полимерах. Наряду с этим примерно с конца 50-х годов, когда еще компьютеры были очень слабые, развивается линия, связанная с моделированием полимерных систем на компьютерах. И эта линия очень успешно развивается. Пожалуй, сейчас гораздо больше работ по компьютерному моделированию, по молекулярной динамике, броуновской динамике полимерных цепей по сравнению с чисто теоретическими работами.
Примерно в 2011–2012 году произошла революция в методах больших параллельных вычислений благодаря использованию графических процессоров. Так что я думаю, что мы стоим на пороге ситуации, когда вы сможете молекулярно моделировать не только полимерные материалы, какие-то куски полимеров, но и живые системы и основные явления, которые происходят с полимерами в клетке при основных молекулярных процессах, связанных с жизнью: деление ДНК, считывание с помощью РНК информации с ДНК, передачу в рибосомы, синтез белка в рибосомах и так далее. Это, мне кажется, будет одним из магистральных направлений физики XX века.
26.06.2015
НАПИСАТЬ НАМ
НАД МАТЕРИАЛОМ РАБОТАЛИ
723 публикации
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕПОЛИМЕРЫЭНТРОПИЯАГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВАТОЧНЫЕ НАУКИ
FAQ: Нейрокоммуникаторы
23626
14
7 фактов о новой модели коммуникации между человеком и средой
В 1999 году американские исследователи опубликовали интересную статью. Представьте себе: лабораторную крысу слегка ограничили в движении так, что она не могла убежать. Крыса томилась жаждой и потому быстро научилась двигать лапкой специальный рычажок, который пододвигал к ней поилку. В этом ничего удивительного нет, крысы очень быстро учатся такому трюку фактически в одной сессии.1
Необычность такого эксперимента состояла в том, что в мозг крысы было вживлено порядка сорока-пятидесяти тонких электродов, которые измеряли электрическую активность пятидесяти-шестидесяти нервных клеток одновременно. Исследователям было интересно узнать, есть ли какая-то однозначная последовательность в возбуждении этих клеток, когда крыса намеревается двинуть лапкой рычажок. Важно было подсмотреть само намерение крысы. Животные как люди сначала что-то намереваются сделать, а потом уже делают.
Однако уж мы техникой подсмотрели намерение животного, то той же техникой можно и выполнить это намерение, пододвинуть эту поилку даже раньше, чем лапкой крыса начнет двигать рычажок. И, удивительное дело, как только крысе захочется пить, и надо бы двинуть лапкой рычажок, она этого не делает — поилка пододвигается сама по себе. Через совсем небольшое время, крыса, условно говоря, складывает лапки, и одним только намерением вызывает себе поилку.
2
Эта технология прямой коммуникации мозга с исполнительным устройством называется «интерфейс мозг-компьютер», потому что ученые, в данном случае, американские исследователи, придумали технологическую цепочку, встроенную между мозгом и компьютером: от измерения электрической активности мозга, расшифровки этой активности, построения модели намерения и передачи команды для исполнительных устройств. Получается, что животное может силой намерения управлять событием во внешней среде. Это был не первый опыт и далеко не последний в разработке проблемы интерфейса мозг-компьютер, в создании нейрокоммуникаторов.
3
Что даст появление нейрокоммуникаторов, что нового принесет в наш мир? По-видимому, наступит совершенно новый этап в развитии техногенных средств коммуникации между человеком и окружающей средой. Электронными и вычислительными средствами для расшифровки электрической активности мы можем добиться прямого понимания намерения мозга еще до того, как мозг отдает команды мышцам. Ведь биологические моторные системы слишком инерционны — для того, чтобы обеспечить активность мышц, нужно сначала увеличить кровоток в мышцах, доставить к месту действия нужные метаболиты и так далее. Если использовать нейрокоммуникатор, решение, принятое мозгом, тут же перехватывается электронными вычислительными средствами, и без замедления передаются исполнительным устройствам.
4
К настоящему времени мы уже давно находимся в сети электронного общения (например, мобильные телефоны). Но еще более мы погружены в сеть общения в интернете, общения не друг с другом, а с какой-то гигантской памятью, которая организованна электронными вычислительными средствами. Гигантская память — это то, что накапливается в этом интернете: видео и аудио отображения, печатная информация — то есть такая мультимедийная виртуальная среда, в которую мы попадаем из реальности. Но есть и более прозаическая среда: органы управления автомобилем, стиральные машины, электронные плиты на кухне — все становится цифровым. Это все компактно, дешево, легко встраивается в соответствующий агрегат, и осталось только подать цифровую команду: один, один, два нуля и так далее.
5
Не может ли мозг подавать эти цифровые команды, если подключиться к нему с помощью технологии «интерфейс мозг-компьютер». Получается, что это вполне возможно. Сейчас пациенты, которые не способны могут пошевелить ни одной мышцей, могут произвольным образом изменяя электрическую активность собственного мозга набирать тексты, подавать команды, осуществлять свои намерения через интерфейс мозг-компьютер. А зарегистрировать электрическую активность — это задание для школьного радиокружка: нужно только запастись усилительными микросхемами, немножко резисторов и конденсаторов.
С помощью нейроконтроллеров человек получит доступ к управлению цифровым миром напрямую, от мозга — к приемникам цифровых кодов, Мозг, как естественный информационно-аналитический орган, получит прямой контакт с искусственными вычислительными системами. Мы сможем исполнять свои желания, просто подумав о них. Изменит ли эта ситуация наш мир?
6
Я думаю, что человек все-таки останется человеком, несмотря на ожидаемое в будущем засилье нейрокоммуникаторов, которые постепенно проникнут во всю бытовую технику, встроятся в индустриальные системы, транспортные средства, мобильные телефоны, радио, телевидение… Однако, богатство внутреннего мира человека невозможно будет выразить вырабатываемыми в нейрокоммуникаторах командами для исполнительных устройств. Только естественная речь, сопровождающие ее движения губ, мимика, жесты, мышечные действия позволят человеку выразить себя. Люди и среди нейрокоммуникаторов будут общаться друг с другом естественными средствами. Мы можем общаться через средства изобразительного искусства, архитектуры, музыкального искусства — это все творения мышц. Они гораздо более, чем нейрокоммуникаторы, приспособлены миллионами лет эволюции к тонкому отображению рисунков нашего внутреннего мира. Но во всех остальных отношениях, там, где не требуется очень быстрого управления, включения и выключения устройств, — там нейрокоммуникаторы будут людям в помощь.
Возможно, у кого-то возникнет соблазн разместить нейрокоммуникаторы у здорового человека прямо внутри черепа, а не как сейчас — на кожной поверхности головы. Сейчас это делается у пациентов и только по жизненным показаниям. Например, у пациентов с тяжелыми поражениями двигательной сферы. Вживление подобных регистраторов в голову здорового человека абсолютно неприемлемо, даже, если он на это сам согласен. Подобные действия нарушают свободу личности, так как человек сам уже не сможет освободится от вживленного чипа.
7
Какие сейчас есть проблемы у разработчиков нейрокоммуникаторов на основе интерфейсов мозг-компьютер? Конечно, мы достигли некоторого уровня в разработке технологий передачи команд напрямую от мозга к исполнительному устройству. Однако низкая скорость передачи команд не позволяет даже просто приблизитсяя к нормальному темпу набора текста на клавиатуре. Неопытный пользователь двумя пальцами набирает на клавиатуре до стоа букв в минуту. А интерфейс мозг-компьютер дает только пятнадцать символов в минуту. Другое ограничение — количество команд. Мы не можем добиться многокомандных систем нейрокоммуникации. Два-три-четыре намерения человека можно разгадать с помощью нейроинтерфейсной технологии — ровно столько, сколько намерений или образов человек может устойчиво воспроизводить в воображении. Неясные расплывающиеся образы, естественно, не могут быть расшифрованы в электрической активности мозга. Кроме того, даже если можно расшифровать конкретное намерение, то без контекста оно может быть неправильно принято к действию, тогда как в естественном исполнении оно, например, может быть заблокировано этическим или правовым контекстом. Все эти проблемы — домашнее задание для ученых. Автор :
доктор биологических наук, психофизиолог, профессор кафедры физиологии человека и животных,