Можно ли с помощью лазеров уничтожать микроорганизмы?
Учёные ищут другие способы вести нескончаемую войну с микроорганизмами. Один из них может быть даже лазером. Да, вы всё правильно прочитали. Можно было бы использовать лазеры, чтобы расстреливать микробов.
Во-первых, знаете ли вы, что слово «лазер» на самом деле — аббревиатура? Это означает усиление света за счёт стимулированного излучения (light amplification by stimulated emission of radiation) — довольно громоздкое название. Сказать «лазер» определённо проще!
Принцип работы лазера таков — просто нужно дать атомам некоторую энергию, чаще всего путём взаимодействия объекта, например кристалла, с электричеством. Эти атомы пытаются стабилизироваться, удаляя избыточную энергию — что они и делают, испуская фотоны, известные как частицы света.
Лазеры можно модифицировать, управляя потоком электричества, чтобы атомы не испускали свет непрерывно. Таким образом мы получаем разные типы лазеров. Один из них, самый для нас интересный — это лазеры с ультракороткими импульсами.
Они излучают очень мощный свет в чрезвычайно короткие промежутки времени, обычно на уровне фемтосекунд. Фемтосекунда — это одна квадриллионная секунды!
Суть в том, что лазеры ультракоротких импульсов излучают действительно мощные вспышки света. Именно благодаря этой мощности мы можем использовать эти лазеры для уничтожения микробов или, скорее, их инактивации.
Одно недавнее исследование показало, что эти лазеры могут убить 99,9% устойчивых к антибиотикам бактерий, бактериальных спор и инактивированных вирусов.
Импульсный лазерный свет настолько мощный, что, когда он рассеивается от объекта, на который попадает, он вызывает мощные вибрации, которые могут разрушить молекулы объекта и другие частицы поблизости.
Вибрация достаточно сильна, чтобы разорвать молекулярные связи в биомолекулах, таких как белки и ДНК. То есть, если бы вы выстрелили в некоторые бактерии с помощью этого лазера, он бы расщепил их белки на молекулярном уровне.
Подобно тому, как вибрирует камертон, когда вы ударяете по нему, молекулы белка вибрируют после удара лазера. Однако белки не предназначены для того, чтобы неестественно вибрировать, поэтому они распадаются.
Лазер также можно использовать для дезактивации вирусов. Мы можем стрелять лазером по вирусным частицам, и электромагнитная энергия лазера поляризует или зарядит вирусные молекулы, как и их белки. Эта энергия заставляет белки подвергаться комбинационным колебаниям. В результате водородные связи, удерживающие эти биомолекулы вместе, разорвутся, что приведёт к структурному повреждению белка.
А человеческие клетки не пострадают от такого воздействия? Секрет этого справедливого вопроса кроется в мощности лазера. Существует особое терапевтическое окно мощности лазера — пределы, в которых безопасно использовать лазер, не повреждая наши клетки. Этот диапазон составляет 1-10 ГВт / кв.см.
Клетки человека не похожи на бактериальные клетки или вирусные частицы. Они крупнее, сложнее и плотно упакованы всеми своими органеллами. Если бы мы использовали лазеры с ультракороткими импульсами более высокой мощности, это было бы вредно для наших клеток. Вирусы требуют меньше всего энергии для инактивации из-за их невероятно маленького размера. Если бы мы использовали немного больше энергии, лазер убил бы и бактериальные клетки. И только если мы продолжим увеличивать мощность ещё больше, то это может начать поражать клетки человека или млекопитающих.
Знаете ли вы, что слово «лазер» на самом деле — аббревиатура?