Нещодавно фізикам з Австралії вдалося те, що раніше вважалося неможливим. Вони, використовуючи спеціальну техніку, змогли сфотографувати тінь, яку відкидав одиночний атом ітербій. На думку вчених, розроблена ними методика може успішно застосовуватися в клітинній біології - можна буде сфотографувати різні моменти з життя білків і ДНК.

Як ми пам'ятаємо, тінь може відкидати будь-який предмет, здатний відображати падаюче на нього фотони або поглинати їх. Тому, з точки зору фізики, немає нічого дивного в тому, що і атоми мають тіні - адже вони теж можуть поглинати фотони. Однак це припущення довгий час не вдавалося перевірити на практиці. Адже для того, щоб довести цю гіпотезу, тінь атома потрібно всього-навсього... сфотографувати! Але саме це й було вельми непросто.

Проте нещодавно вченим з Університету Гріффіта (Австралія) вперше вдалося зробити це. Вони отримали досить чітку фотографію тіні атом рідкоземельного металу ітербій. Точніше кажучи, не атома, а йона - в експерименті брав участь одиничний 174Yb+, утримуваний в умовах надвисокого вакууму за допомогою так званої пастки Пауля.

Нагадаю, що такий називають пристосування, що складається з чотирьох гіперболічних електродів. У випадку паралельної пастки вони стоять паралельно один одного, а у разі квадрокупольного варіанту (який і використовувався в експерименті) - як би "хрест-навхрест". За цим електродів подається змінний струм, він створює електричне поле, яке і утримує іон. Правда, якщо бути зовсім точним, то іон все-таки не стоїть на місці, а здійснює якісь коливальні рухи поблизу фіксованої точки.

Отже, після того як фізики "заманили" одиночний іон ітербій в таку пастку, вони спрямували на нього електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі в 369,5 нм. Весь пучок був сфокусований в точку розміром в декілька мікрометрів. Все це створювало поле освітлення і одночасно забезпечувала лазерне охолодження. Минулий світло збирався з допомогою фазової лінзи Френеля (особливий тип лінзи, яка складається не з цілісного шліфованого шматка скла зі сферичною або іншими поверхнями (як звичайні лінзи), а з окремих примикають один до одного концентричних кілець невеликої товщини, які у перерізі мають форму призм спеціального профілю) і подавався на охолоджувану ПЗС-камеру.

В результаті однократного і не занадто тривалого часу впливу світла на атом вистачало для того, щоб отримати виразний знімок. При цьому витримки становило 0,05-1 секунд. У теж час слід зауважити, що в даному випадку поняття"виразний" дещо не збігається з його значенням, прийнятим для характеристики фотографій макроскопічних об'єктів. Тут малося на увазі не дозвіл, а контрастність зображення. Грубо кажучи, дослідники намагалися зробити такий знімок, на якому темні точки будуть сильно відрізнятися від світлих.

Можна сказати, у них це вийшло - на кращих фотографіях контраст доходив до 3,1 відсотка, що можна вважати просто чудовим результатом, повністю розкриває можливості установки. Слід зауважити, що при експериментах, що проводилися раніше, коли вчені намагалися сфотографувати тінь від окремих молекул, такі значення були недосяжні. Крім того, робота австралійських дослідників блискуче підтвердила припущення про те, що окремі атоми теж можуть відкидати тінь, поглинаючи і відхиляючи частина фотонів з направленого на них світлового пучка.

Однак навіщо взагалі були затіяні всі ці дослідження? Невже просто для того, щоб з'ясувати, чи є тінь у атома чи ні? Насправді, ця робота мала дещо інший практичний сенс. Тепер, коли фотозйомка завершилася успішно, цілком можна розраховувати на те, що випробувана австралійцями проста методика буде застосовуватися в клітинній біології. Там вона буде вельми і вельми затребувана і може у найближчому майбутньому призвести до сенсаційних відкриттів.

Наприклад, у нуклеїнових кислот є пік поглинання в ультрафіолетовій області на довжині хвилі 260 нм, який дає можливість виділити їх на фоні інших компонентів клітини. Тим не менш, самі біологи не використовують цю особливість спадкового речовини, оскільки сам по собі 260-нанометрове випромінювання має виражений бактерицидний ефект, тобто може зруйнувати клітку. Тепер цю проблему можна вирішити, просто скоротивши час експозиції до такого проміжку, за який УФ-промені не встигнуть зробити свого смертоносного ефекту.

У підсумку з використанням методики австралійських фізиків спостереження за волокнами хроматину (нагадаю, що так називають комплекс ДНК і спеціальних ядерних білків) в динаміці стає цілком реальною. Згідно з розрахунками, контраст фотографій 100-нанометрових волокон може складати близько 30 відсотків, що дає можливість побачити і зафіксувати на фото багато цікаві речі. Наприклад, процес зчитування інформації з ДНК і синтез РНК, а також процеси відновлення нуклеїнових кислот після пошкодження.

Не виключено, що скоро замість побудови яскравих анімованих комп'ютерних моделей (для чого вченим потрібні суперкомп'ютери), дослідники зможуть знімати "з натури" фільми про життя білків, нуклеїнових кислот та інших біомолекул. Після ж аналіз цих фото - і відеозйомок допоможе розгадати багато загадок функціонування життя на молекулярному рівні...