Шестая и заключительная лекция из цикла «Рождественских чтений» 1987 года в Королевском институте посвящена удивительному взаимодействию физики кристаллов, лазерных технологий и биологии человека. Джон Мейриг Томас и Дэвид Филлипс демонстрируют, как понимание атомной структуры вещества позволяет не только диагностировать болезни, но и проводить сложнейшие операции без единого разреза.
💎 Кристаллы внутри нас: от камней в почках до структуры костей 0:34
Джон Мейриг Томас начинает лекцию с демонстрации кристаллов оксалата кальция, извлеченных из мочевого пузыря пациента . Эти образования, часто называемые «камнями», могут достигать внушительных размеров и вызывать серьезные заболевания. Под сканирующим электронным микроскопом при увеличении в 500 раз они напоминают скалистые валуны . Еще один опасный кристалл — холестерин, который под поляризационным микроскопом выглядит как красивые разноцветные пластины, но на деле блокирует кровеносные сосуды .
Ученый указывает на поразительный химический факт: в нашей крови и моче содержится так много кальция, фосфатов и оксалатов, что, согласно законам простой химии, наши тела должны были бы быть забиты кристаллами, подобно сталагмитам .
Однако в здоровом организме этого не происходит по ряду причин:
- Ингибиторы роста: Присутствие специальных агентов (белков или углеводов), которые покрывают зарождающиеся кристаллы тонким слоем и мешают их дальнейшему росту .
- Генетический контроль: Формирование «полезных» кристаллов, таких как кости и зубы, жестко регулируется организмом.
Кость — это сложный композитный материал, состоящий из белка коллагена и кристаллов гидроксиапатита (гидроксифосфата кальция) . Коллаген служит «лесами», на которых в строго определенных местах, заданных генетически, осаждаются атомы кальция .
🦴 Искусственные кости и загадка подагры 13:01
Когда естественные кости становятся хрупкими или разрушаются, требуется замена. Джон Мейриг Томас рассказывает о прорывной технологии превращения кораллов (карбоната кальция) в синтетическую кость (фосфат кальция) . Исследователи из Пенсильванского университета и Колледжа Королевы Марии в Лондоне разработали метод химического замещения, при котором структура коралла сохраняется, но его химический состав полностью меняется на костный .
Отдельное внимание уделено подагре — болезни, вызванной кристаллами урата натрия. Томас демонстрирует список знаменитых людей, страдавших этим недугом:
По словам лектора, подагра часто ассоциируется с «высоким уровнем жизни» и избыточным производством мочевой кислоты. Томас также упоминает (со ссылкой на существующие в то время данные), что уровень мочевой кислоты якобы коррелирует с высоким коэффициентом интеллекта (IQ), хотя отмечает, что строгая научная связь — вопрос дискуссионный .
⚡ Лазерное дробление камней и ультразвук 17:18
Современная медицина позволяет удалять камни из почек без хирургического вмешательства. Томас объясняет принцип литотрипсии: использование пьезоэлектрических кристаллов для создания мощных ультразвуковых импульсов, которые фокусируются на камне и разрушают его в пыль .
Доктор Стивен Баун демонстрирует альтернативный метод — использование импульсного лазера на красителях . Через тончайшее оптическое волокно (диаметром всего 0,2 мм) зеленый лазерный луч подводится прямо к камню, застрявшему в мочеточнике. Каждый лазерный выстрел создает механический импульс, буквально разбивающий кристалл на мелкие фрагменты, которые затем выводятся организмом естественным путем .
🦠 Вирусы: геометрия «футбольного мяча» 26:31
Даже мягкие ткани человека обладают признаками кристалличности. Томас показывает структуру мышц под огромным увеличением, где видна строгая периодичность волокон, позволяющая им скользить друг относительно друга при сокращении .
Самое поразительное проявление порядка в биологии — это вирусы. Под электронным микроскопом кристаллы вирусов выглядят как упорядоченные массивы частиц . Структура многих вирусов (например, вируса полиомиелита или герпеса) геометрически идентична современному футбольному мячу:
- Они состоят из пятичленных и шестичленных фрагментов, образующих сферу .
- Такая форма обеспечивает максимальную стабильность и экономию генетического материала.
💡 Фотомедицина: исцеляющий свет 32:27
Дэвид Филлипс вводит понятие «фотомедицины» — лечения болезней с помощью света. Яркий пример — терапия герпеса, когда на пораженный участок наносят краситель, а затем облучают его светом, что убивает вирус .
Одним из самых массовых применений фототерапии является лечение желтухи у новорожденных . Желтуха вызвана избытком билирубина, который не выводится печенью и накапливается в жировой ткани под кожей. Суть метода:
- Младенца облучают синим светом .
- Световая энергия меняет структуру молекулы билирубина, делая её водорастворимой.
- После этого организм ребенка может легко вывести токсин естественным путем .
👁️ Революция в офтальмологии и эндоскопии 38:29
Лазеры стали незаменимым инструментом в глазной хирургии. Филлипс показывает, как мощные лазерные импульсы могут прорезать отверстие в помутневшей мембране позади хрусталика, возвращая пациенту зрение .
Более того, Дэвид Филлипс делает смелый прогноз: возможно, через 20 лет (к 2007 году) людям больше не понадобятся очки . Он аргументирует это развитием эксимерных лазеров, которые способны «скульптурировать» роговицу глаза, превращая её живую ткань в корректирующую линзу . (Стоит отметить, что технология LASIK действительно стала массовой, хотя очки не исчезли полностью).
В разделе эндоскопии Стивен Баун и Дэвид Филлипс демонстрируют возможности гибких оптических волокон:
- Диагностика: Передача изображения из желудка или легких с помощью крошечных камер на ПЗС-матрицах .
- Хирургия: Остановка кровотечения при язве желудка путем «заваривания» сосудов лазером (аналогия с тем, как сжимается бекон при жарке) .
- Лечение рака: Удаление неоперабельных опухолей в легких и пищеводе путем их вапоризации (испарения) мощным лазерным лучом .
В финале лекции демонстрируется экспериментальный метод лечения лейкемии: в кровь вводятся специальные красители, которые накапливаются только в раковых клетках . При облучении светом определенной длины волны эти клетки гибнут, в то время как здоровые остаются невредимыми .
Завершая цикл, Джон Мейриг Томас цитирует Роберта Гука, напоминая, что прерогатива человечества — не только созерцать творения природы, но и изменять их к лучшему, превращая чистую науку в прикладное искусство спасения жизней .
