Солнечный луч

Большое будущее, видимо, ожидает лазер еще в одной области применения: в голографии. Этот вид объемной фотографии, содержащей всю информацию о предмете («голо» — по-латыни весь), был теоретически предсказан в 1948 г. английским физиком Д. Табором. Если зафиксировать на фотопластинке дифракционную картину, возникшую при прохождении света мимо препятствия в виде точки, а затем пропустить через пластинку точно такой же пучок света, на экране вновь возникнет та же точка. Но теоретические предположения Габора осуществить было невозможно — пучок света с его хаотической структурой воспроизвести вторично не удавалось.

Лазерный луч и в этом случае сделал невозможное возможным. Монохроматичный и когерентный свет лазеpa проходил через предмет, дифрагируя на отдельных его точках, и падал на фотопластинку. На ту же пластинку падала часть лазерного пучка, прошедшая предварительно через систему призм или зеркал в обход предмета. Фотопластинка, содержащая в причудливом переплетении дифракционных колец и линий всю информацию о предмете (она-то и называется голограммой), при подсвечивании аналогичным лазерным лучом дает на экране объемное изображение предмета. Более того, каждый кусок разбитой голограммы также способен при подсветке дать объемное изображение всего предмета. Использование этого принципа сулит качественно новые возможности для кино и телевидения. Однако технические трудности значительны, и на их преодоление потребуется, вероятно, пять—десять лет.

Принцип голографии может найти применение и в цветном телевидении, и в особой конструкции микроскопа. Направления использования лазеров в будущем трудно исчерпать. Остановимся подробнее на некоторых возможностях их применения в биологии и медицине.

Луч лазера и живая ткань

Монохроматическое излучение оптических квантовых генераторов в отличие от полихроматического, широкополосного излучения Солнца и искусственных источников света может избирательно поглощаться определенными структурными элементами тканей, клеток, некоторыми хромофорными группами, пигментами. Поэтому, подбирая соответствующую длину волны, можно в принципе оказывать воздействие очень тонкое, специфическое. Лазерный луч может стать, и со временем станет, орудием направленного воздействия на организм, средством управления жизненными процессами, в особенности, когда врач будет располагать целым арсеналом лазеров, генерирующих излучение в разных областях оптического диапазона. Разумеется, для таких тонких избирательных воздействий на организм нужно использовать нефокусированное излучение сравнительно малой интенсивности, не вызывающее не только испарения, но и ожога ткани.

Световое излучение лазера вызывает в живой ткани сдвиги, присущие в обычных условиях лишь гораздо более высокоэнергетическому ионизирующему и ультрафиолетовому излучению,— выбивание электронов, образование ионов и свободных радикалов. Главное в этом эффекте лазерного луча принадлежит мощным электромагнитным полям. Действие поля сказывается лишь непосредственно в пределах облучаемых участков и в сочетании с нелинейным двуфотонным взаимодействием порождает фотоэлектрический эффект, хотя энергия каждого в отдельности кванта для этого недостаточна. Поэтому мощному излучению рубинового лазера оказываются присущи некоторые биологические эффекты, наблюдавшиеся ранее только при воздействии рентгеновских и гамма-лучей,— возникновение свободных радикалов и вследствие этого — изменение структуры отдельных азотистых оснований ДНК, появление мутаций и т. п. Под влиянием нелинейных эффектов возможно изменение прозрачности сред глаза и отсюда появление в стекловидном теле пузырьков газа (очагов локального испарения в участках пониженной прозрачности), а со временем — и помутнения хрусталика, так называемой катаракты.

При импульсном режиме работы лазеров в облучаемом веществе нередко образуются механические колебания атомов и молекул. Когерентное импульсное излучение как бы раскачивает молекулы, и они начинают колебаться с ультра- и даже гиперзвуковой частотой. Образующиеся при этом упругие волны распространяются в живой ткани гораздо дальше и глубже, чем проникают световые волны, усиливают действие лазера и делают его более распространенным.

Кожа и другие ткани организма имеют сложную структуру; они состоят из слоев клеток различного строения, обладающих разными механическими свойствами. При прохождении ультразвуковых волн молекулярные и клеточные слои колеблются, резонируют неодинаково. Поэтому между молекулами биополимеров, между клеточными слоями возникают микроскопические разрывы, просветы, полости. Это явление называется кавитацией (от латинского кавитас — полость). Разрывы возникают на очень короткое время (ничтожные доли секунды), но сопровождаются определенным нарушением структуры и функции живой ткани.

Очень большое значение имеет присутствие в клетках пигмента. Беспигментные клетки почти не поглощают лучей рубинового и неодимового лазеров (наиболее распространенных и в основном использующихся пока в биологии и медицине) и потому мало чувствительны к ним. Луч, прожигающий отверстие в стальном листе толщиной 1—5 мм, не вызывает никаких заметных повреждений в клетках кожи, лишенных пигмента. Но присутствие гранул меланина делает клетку особенно «привлекательной» для луча лазера, и в крохотный промежуток времени такая клетка испаряется, исчезает, тогда как ее беспигментные соседки остаются невредимыми. В белой незагоревшей коже луч лазера проникает поэтому на большую глубину и больше рассеивается, не давая сильного местного поражения. Имеет значение и степень кровенаполнения ткани. Прилив крови облегчает поглощение лазерного луча гемоглобином; страдают при этом в первую очередь клетки крови, а также стенки сосудов.

А теперь познакомимся непосредственно с картиной лазерного поражения живой ткани. Ожог и мгновенное испарение части вещества кожи в месте падения лазерного луча завершаются образованием кратерообразного углубления. Дно кратера обожжено, покрыто тонким слоем сухой омертвевшей ткани. Все произошло в считанные доли секунды. Но случившееся — не конец, а начало процесса. Мгновенное испарение вещества, закипание жидкостей тела вызывает быстрое и резкое повышение давления в клетках облученной ткани. Как волны от упавшего в воду камня, во все стороны от облученного участка распространяется ударная волна. Чем меньше продолжительность лазерного импульса, тем более мощная волна распространяется по ткани. Обычно она не вызывает серьезных повреждений. Но если ударная волна распространяется внутри замкнутой полости — черепа, грудной, брюшной — она вызывает более или менее сильный ушиб мягких тканей (мозга, легкого, сердца) о твердые костные стенки полости. Возникают кровоизлияния.

Если лазерный импульс большой мощности проникает внутрь глаза (оболочка глазного яблока достаточно жестка), происходят частичное испарение стекловидного тела с образованием пузырей в нем, кровоизлияния в сетчатку и ее отслойка, а при особо мощной ударной волне — даже разрыв глазного яблока. Лазерный импульс, упавший на лобную кость мыши, вызывает мгновенную гибель в результате ушиба мозга ударной волной и массивных кровоизлияний. В то же время кожа лба, кость остаются неповрежденными. У более крупных животных лобная кость толще, и мозг не повреждается.

Другой фактор распространения лазерного поражения — ультразвуковые упругие колебания. Степень их опасности и особенности действия изучены недостаточно.

Итак, можно говорить о двух основных формах взаимодействия лазерного луча с живой тканью. При большой концентрации лучистой энергии на первый план выдвигается чисто тепловое действие — ожог, испарение, выгорание ткани. В этом случае длина волны лазерного излучения значения не имеет. При нефокусированном облучении в малых дозах основное значение имеет избирательное поглощение лучистой энергии теми или иными хромофорными группами. При этом лучи разной длины волны поглощаются разными веществами ткани и вызывают различные биологические эффекты. Однако в обоих случаях главные события разыгрываются в клетках, снабженных пигментом или иным хромофором. Белки и нуклеиновые кислоты — основные компоненты живых тканей — непосредственно не поглощают излучения рубинового и неодимового лазера. Чтобы возник биологический эффект, необходимо присутствие фотосенсибилизатора — красителя, переносящего поглощенную энергию света на молекулы биополимеров. И там, где такой посредник имеется, эффект лазерного луча сильнее и развивается при значительно меньших дозах облучения. Вот почему легко разрушаются в поле лазерного облучения красные клетки крови — эритроциты, пигментированные клетки кожи, клетки печени, а беспигментные клетки способны переносить без ущерба воздействие весьма значительных количеств лучистой энергии.